運(yùn)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(yùn)算放大器內(nèi)部框圖：

運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器都包含下列三個(gè)部分：

差動(dòng)輸入級(jí)

以一差分放大器作為輸入級(jí)，提供高輸入阻抗以及低噪聲放大的功能。

增益級(jí)

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

輸出級(jí)

輸出級(jí)的需求包括低輸出阻抗、高驅(qū)動(dòng)力、限流以及短路保護(hù)等功能。

其他在運(yùn)算放大器內(nèi)必備的電路還包括提供各級(jí)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(biāo)示的區(qū)域?yàn)?41運(yùn)算放大器的偏置電路及其電流鏡。741運(yùn)算放大器內(nèi)部各級(jí)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(fù)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(duì)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(fù)制后，再由Q8/Q9組成的電流鏡決定輸入級(jí)的偏置電流，從而決定輸入級(jí)的直流狀態(tài)（DC condition）。

這個(gè)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(jí)，可讓輸入的共模范圍更大，晶體管不會(huì)因?yàn)檩斎牍材ｋ妷旱母淖兌x開應(yīng)有的工作區(qū)。

假設(shè)當(dāng)輸入級(jí)晶體管Q1/Q2的偏置電流開始下降時(shí)，供應(yīng)電流給Q1/Q2的電流源Q8會(huì)偵測(cè)到這個(gè)改變，進(jìn)而改變從Q9流向Q10的電流。此時(shí)因?yàn)镼9與Q10的集電極端與Q3/Q4的基極端相連，當(dāng)Q9的電流下降時(shí)，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?yàn)镼3/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(gè)輸入級(jí)的偏置電流拉回原本的大小。這樣的機(jī)制等同于一個(gè)高增益的負(fù)反饋系統(tǒng)，能夠讓輸入級(jí)的直流工作點(diǎn)（DC operating point）更加穩(wěn)定，進(jìn)而讓輸入級(jí)的整體效能更好。

Q12/Q13組成的電流鏡負(fù)責(zé)提供增益級(jí)電路的偏置電流，讓增益級(jí)的直流工作點(diǎn)不受其輸出電壓的干擾而飄移。

差動(dòng)輸入級(jí)

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

此外，Q1/Q2各是一個(gè)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(zhǔn)移位器（level shifter），將輸入級(jí)的電壓位準(zhǔn)調(diào)整至適當(dāng)?shù)奈恢茫靡则?qū)動(dòng)增益級(jí)的NPN晶體管Q16。Q3/Q4的另外一個(gè)功用就是作為抑制輸入級(jí)偏置電流飄移的控制電路。

Q5至Q7組成的電流鏡是輸入級(jí)差動(dòng)放大器的有源式負(fù)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(fù)制電流的精準(zhǔn)度。同時(shí)，這個(gè)電流鏡構(gòu)成的有源式負(fù)載也以下列的過程將差動(dòng)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)為單端輸出信號(hào)至下一級(jí)：

由Q3流出的信號(hào)電流（亦即因輸入信號(hào)改變而引起的電流成分，與偏置電流無關(guān)）會(huì)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(hào)電流流進(jìn)Q5，經(jīng)由電流鏡復(fù)制到Q6，因此Q3與Q4的信號(hào)電流在此被相加。

對(duì)于差動(dòng)信號(hào)而言，Q3和Q4的信號(hào)電流大小相等、方向相反。因此相加的結(jié)果會(huì)等于原本信號(hào)電流的兩倍。至此，差動(dòng)輸入轉(zhuǎn)換至單端輸出的程序已經(jīng)完成。差動(dòng)輸入級(jí)送至增益級(jí)的電壓等于信號(hào)電流與Q4和Q6集電極電阻并聯(lián)的乘積，對(duì)于信號(hào)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(yùn)算放大器的輸入端電流并不等于零，實(shí)際上741運(yùn)算放大器的等效輸入電阻約為2MΩ，這個(gè)非理想現(xiàn)象導(dǎo)致741運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端之間的直流電壓準(zhǔn)位會(huì)有些微的差異，這個(gè)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(gè)用來消除輸入端直流電壓偏移的端點(diǎn)（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(jí)

上圖中紫色虛線標(biāo)示的區(qū)域是741運(yùn)算放大器的增益級(jí)。此增益級(jí)電路使用一個(gè)達(dá)靈頓晶體管Q15與Q19，作為741運(yùn)算放大器增益的主要來源。Q13與Q16是達(dá)靈頓晶體管的有源負(fù)載，而電容C1從增益級(jí)的輸出端連接至輸入端，作用是穩(wěn)定輸出信號(hào)。這種技巧在放大器電路設(shè)計(jì)中相當(dāng)常見，稱為米勒補(bǔ)償（Miller Compensation）。

米勒補(bǔ)償會(huì)在放大器的信號(hào)路徑上置入一個(gè)主極點(diǎn)（dominant pole），降低其他極點(diǎn)對(duì)于信號(hào)穩(wěn)定度的影響。通常741運(yùn)算放大器主極點(diǎn)的位置只有10Hz，也就是當(dāng)741運(yùn)算放大器在開環(huán)的情況下，對(duì)于頻率高于10Hz的交流輸入信號(hào)，增益只有原來的一半（在主極點(diǎn)，放大器的增益下降3dB，即原本增益的一半）。米勒補(bǔ)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(yùn)算放大器有內(nèi)部的頻率補(bǔ)償機(jī)制，能夠讓使用者更簡易地使用。

輸出級(jí)

741運(yùn)算放大器的輸出級(jí)由圖中綠色及淺藍(lán)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(gè)電阻R7與R8，主要的功能是電壓位準(zhǔn)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(gè)1V跨壓會(huì)對(duì)741運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)造成輕微的交越失真（crossover distortion），有時(shí)候在某些用分立式器件實(shí)現(xiàn)的741運(yùn)算放大器會(huì)改用兩個(gè)二極管取代Q16的功能。

淺藍(lán)色虛線包圍的區(qū)域，包括晶體管Q14、Q17，以及Q20，構(gòu)成741運(yùn)算放大器的輸出級(jí)。加上Q16所設(shè)定的偏置，這個(gè)輸出級(jí)基本上是一個(gè)AB類（class AB）推挽式（push-pull）發(fā)射極追隨器（Q14與Q20），推動(dòng)輸出級(jí)的晶體管是Q13與Q19。741運(yùn)算放大器的輸出級(jí)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(duì)于Q20而言，限流的功能則借由偵測(cè)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(dá)成，而后來的741運(yùn)算放大器對(duì)于限流功能有更多改良的設(shè)計(jì)。雖然741運(yùn)算放大器的輸出阻抗不如理想運(yùn)算放大器所要求的等于零，不過在連接成負(fù)反饋組態(tài)應(yīng)用時(shí)，其輸出阻抗確實(shí)非常接近零。

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