運算放大器內(nèi)部電路圖,結(jié)構(gòu)原理詳解-KIA MOS管

經(jīng)典運算放大器內(nèi)部框圖：

運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

標準的運算放大器都包含下列三個部分：

差動輸入級

以一差分放大器作為輸入級，提供高輸入阻抗以及低噪聲放大的功能。

增益級

運算放大器電壓增益的主要來源，將輸入信號放大轉(zhuǎn)為單端輸出后送往下一級。

輸出級

輸出級的需求包括低輸出阻抗、高驅(qū)動力、限流以及短路保護等功能。

其他在運算放大器內(nèi)必備的電路還包括提供各級電路參考電流的偏置電路（bias circuits）。

電流鏡與偏置電路

右圖中，以紅色虛線標示的區(qū)域為741運算放大器的偏置電路及其電流鏡。741運算放大器內(nèi)部各級所使用的偏置電流均來自此區(qū)，而這些偏置電流的源頭是39KΩ的電阻R1、NPN晶體管Q11以及PNP晶體管Q12。

正負電源的差值扣掉Q11與Q12的基極-發(fā)射極電壓后，再依照歐姆定律除R1的值，即可得到參考電流源的大小：

上式中Vbe是雙載流子晶體管的基極-發(fā)射極電壓，對于工作在放大區(qū)（active region）的雙載流子晶體管而言，Vbe通常在0.7V左右。

參考電流Iref經(jīng)由Q11/Q10/R2組成的韋勒電流源復制后，再由Q8/Q9組成的電流鏡決定輸入級的偏置電流，從而決定輸入級的直流狀態(tài)（DC condition）。

這個偏置電路的重要功能在于提供十分穩(wěn)定的定電流（constant current）給放大器的輸入級，可讓輸入的共模范圍更大，晶體管不會因為輸入共模電壓的改變而離開應(yīng)有的工作區(qū)。

假設(shè)當輸入級晶體管Q1/Q2的偏置電流開始下降時，供應(yīng)電流給Q1/Q2的電流源Q8會偵測到這個改變，進而改變從Q9流向Q10的電流。此時因為Q9與Q10的集電極端與Q3/Q4的基極端相連，當Q9的電流下降時，Q3/Q4的基極電流必須增加，以滿足由Q10與R2所設(shè)定的電流值。

又因為Q3/Q4的基極電流增加，迫使Q3/Q4的發(fā)射極電流也必須增加，亦即將整個輸入級的偏置電流拉回原本的大小。這樣的機制等同于一個高增益的負反饋系統(tǒng)，能夠讓輸入級的直流工作點（DC operating point）更加穩(wěn)定，進而讓輸入級的整體效能更好。

Q12/Q13組成的電流鏡負責提供增益級電路的偏置電流，讓增益級的直流工作點不受其輸出電壓的干擾而飄移。

差動輸入級

深藍色的虛線所圍起來的區(qū)域是741運算放大器的輸入級，一共有七顆晶體管Q1至Q7。NPN晶體管Q1與Q2組成的差動對（differential pair）是整個741運算放大器的輸入端。

此外，Q1/Q2各是一個射極跟隨器（emitter follower），接至共基極組態(tài)的PNP晶體管Q3/Q4。Q3與Q4的用途是電壓位準移位器（level shifter），將輸入級的電壓位準調(diào)整至適當?shù)奈恢茫靡则?qū)動增益級的NPN晶體管Q16。Q3/Q4的另外一個功用就是作為抑制輸入級偏置電流飄移的控制電路。

Q5至Q7組成的電流鏡是輸入級差動放大器的有源式負載。NPN晶體管Q7的作用主要在于利用本身的共射增益增加Q5與Q6電流鏡復制電流的精準度。同時，這個電流鏡構(gòu)成的有源式負載也以下列的過程將差動輸入信號轉(zhuǎn)為單端輸出信號至下一級：

由Q3流出的信號電流（亦即因輸入信號改變而引起的電流成分，與偏置電流無關(guān)）會流入電流鏡的輸入端，也就是Q5的集電極。電流鏡的輸出端則是Q6的集電極，連接至Q4的集電極。Q3的信號電流流進Q5，經(jīng)由電流鏡復制到Q6，因此Q3與Q4的信號電流在此被相加。

對于差動信號而言，Q3和Q4的信號電流大小相等、方向相反。因此相加的結(jié)果會等于原本信號電流的兩倍。至此，差動輸入轉(zhuǎn)換至單端輸出的程序已經(jīng)完成。差動輸入級送至增益級的電壓等于信號電流與Q4和Q6集電極電阻并聯(lián)的乘積，對于信號電流而言，Q4和Q6集電極電阻的值非常高，因此開環(huán)的增益非常高。

特別值得一提的是，741運算放大器的輸入端電流并不等于零，實際上741運算放大器的等效輸入電阻約為2MΩ，這個非理想現(xiàn)象導致741運算放大器兩個輸入端之間的直流電壓準位會有些微的差異，這個差異稱為輸入端偏移電壓（input offset）。在Q5和Q6的發(fā)射極有兩個用來消除輸入端直流電壓偏移的端點（offset null），可以借由外加直流電壓將輸入端偏移電壓消除。

增益級

上圖中紫色虛線標示的區(qū)域是741運算放大器的增益級。此增益級電路使用一個達靈頓晶體管Q15與Q19，作為741運算放大器增益的主要來源。Q13與Q16是達靈頓晶體管的有源負載，而電容C1從增益級的輸出端連接至輸入端，作用是穩(wěn)定輸出信號。這種技巧在放大器電路設(shè)計中相當常見，稱為米勒補償（Miller Compensation）。

米勒補償會在放大器的信號路徑上置入一個主極點（dominant pole），降低其他極點對于信號穩(wěn)定度的影響。通常741運算放大器主極點的位置只有10Hz，也就是當741運算放大器在開環(huán)的情況下，對于頻率高于10Hz的交流輸入信號，增益只有原來的一半（在主極點，放大器的增益下降3dB，即原本增益的一半）。米勒補償電容能減少高增益放大器的穩(wěn)定度問題，特別是如果運算放大器有內(nèi)部的頻率補償機制，能夠讓使用者更簡易地使用。

輸出級

741運算放大器的輸出級由圖中綠色及淺藍色虛線包圍的區(qū)域構(gòu)成。綠色區(qū)域包括NPN晶體管Q16以及兩個電阻R7與R8，主要的功能是電壓位準移位器，或是Vbe的倍增器。

由于基極端的偏置已經(jīng)固定，因此Q16集電極至發(fā)射極端的壓降恒為一定值。假設(shè)Q16的基極電流為零，則其基極至發(fā)射極間的跨壓約為0.625V（亦為R8的跨壓），故R7與R8的電流相等，跨過R7的電壓約為0.375V。

因此Q16集電極至發(fā)射極間的跨壓約為0.625V+0.375V=1V。這個1V跨壓會對741運算放大器的輸出信號造成輕微的交越失真（crossover distortion），有時候在某些用分立式器件實現(xiàn)的741運算放大器會改用兩個二極管取代Q16的功能。

淺藍色虛線包圍的區(qū)域，包括晶體管Q14、Q17，以及Q20，構(gòu)成741運算放大器的輸出級。加上Q16所設(shè)定的偏置，這個輸出級基本上是一個AB類（class AB）推挽式（push-pull）發(fā)射極追隨器（Q14與Q20），推動輸出級的晶體管是Q13與Q19。741運算放大器的輸出級電壓擺幅（output swing）最高約可比正電源低1V，由晶體管的集電極-發(fā)射極飽和電壓（Vce(sat)）所決定。

25Ω電阻R9的功能是限制通過Q14的電流，最大值不超過25mA。對于Q20而言，限流的功能則借由偵測流過Q19發(fā)射極電阻R11的電流，再以此控制Q15的基極偏置電流來達成，而后來的741運算放大器對于限流功能有更多改良的設(shè)計。雖然741運算放大器的輸出阻抗不如理想運算放大器所要求的等于零，不過在連接成負反饋組態(tài)應(yīng)用時，其輸出阻抗確實非常接近零。

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