運(yùn)算放大器uA741的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

從今天起，我們開始分析運(yùn)放uA741的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，爭取把它的工作原理給大家講清楚，講透徹。只有知道了運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們才真正可能看得清楚運(yùn)放的一些參數(shù)，在運(yùn)放選型的時(shí)候，才會更加有的放矢。

雖然較新設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器在幾乎所有可能的方面（速度、噪音、電壓范圍等等）都超過了它，但最初的741仍然廣受喜愛，并在今天依然大量使用。我們對運(yùn)放的學(xué)習(xí)，不能僅僅止步于外圍電路的搭建，那樣對運(yùn)放的了解不可能深刻。我想通過這一系列的文章，爭取能夠把uA741這款運(yùn)放的工作原理給大家講解得盡可能透徹，讓大家在學(xué)習(xí)運(yùn)放的時(shí)候，能夠更加深入，少走一些彎路。

與設(shè)計(jì)外圍電路不同，電流源在運(yùn)放內(nèi)部更加常用。比如恒流源、鏡像電流源、Widlar電流源、增強(qiáng)型鏡像電流源等等。為什么會出現(xiàn)這樣的情況呢？其中最為主要的原因，就是運(yùn)放需要放大的是差分信號，那么這里就遇到一個(gè)問題：如何把電壓差轉(zhuǎn)化為一個(gè)差值信號。運(yùn)放內(nèi)部目前選擇的方案，就是把電壓差轉(zhuǎn)化為電流差。那么要產(chǎn)生這個(gè)電流差信號，就需要恒流源，其實(shí)這里類似一個(gè)加法。兩個(gè)電流之和是一個(gè)恒流，那么一個(gè)電流大了，肯定另一個(gè)電流就小了。有了這個(gè)電流差之后，運(yùn)放內(nèi)部的電路再把這個(gè)差值信號轉(zhuǎn)化一個(gè)電壓差信號，然后通過這個(gè)電壓差信號驅(qū)動(dòng)中間級的放大電路。

中間級的放大電路現(xiàn)在一般采用達(dá)林頓管來實(shí)現(xiàn)，這樣放大倍數(shù)就會很大了，假定每一級的放大倍數(shù)是200倍，那么達(dá)林頓管總體的放大倍數(shù)就會有200*200 = 40000倍。實(shí)現(xiàn)了信號放大以后，輸出級需要解決的就是功率輸出的問題了。畢竟運(yùn)放是一個(gè)模擬器件，它需要一定的帶載能力，一般情況下，輸出級主要是使用推挽電路來做的。當(dāng)然因?yàn)槭苤朴诜庋b的原因，這個(gè)電流值也不能太大，所以這里還有保護(hù)電路存在（限流作用）。

整體上運(yùn)放的工作原理，就如上面所示，741也不例外。

大家最常見到的電流源，估計(jì)就是電流鏡或者說叫做鏡像電流源源了。它常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。這個(gè)電路的目的，就是實(shí)現(xiàn)Io電路和Iref幾乎是相同的。這樣的話，如果我們要想獲得一個(gè)特定的電流Io，那么我們只需要去設(shè)定Iref就可以了，也就是說Iref側(cè)進(jìn)行電流的設(shè)定，在Io側(cè)實(shí)現(xiàn)電流的輸出。而下面這個(gè)電路，就像鏡子一樣，可以實(shí)現(xiàn)電流的映射。

這個(gè)鏡像電流源的工作原理，大體如下。因?yàn)門1和T2是在同一個(gè)晶圓上刻出來的，所以它們具有較高的對稱性。T1和T2的引腳是連接在一起的，所以它們對地的電位是相同的。因?yàn)閷Φ氐碾娢皇窍嗤模运鼈兊幕鶚O電流也是相同的。我們說這兩個(gè)管子是在同一塊晶圓上雕刻出來的，那么它們的放大倍數(shù)是也是近似相同的。那么當(dāng)兩個(gè)管子都是處于放大狀態(tài)的時(shí)候，他們的Ic電流也就是相同，也就是Ic1 = Io。

那么到了此時(shí)，我們只是實(shí)現(xiàn)了Ic1和Io的鏡像關(guān)系。但是我們設(shè)計(jì)的目的其實(shí)是Io=Iref，是吧，那么也就是說這里存在一定的誤差。這個(gè)誤差值是多少呢，是不是Ibf是吧。按照上圖畫下來，Ibf = 2*Ib，對吧。如果T1、T2這兩個(gè)運(yùn)放的放大倍數(shù)比較大，我們假定100倍好吧，那么Ibf帶來的誤差是不是差不多在1/50左右呀。這個(gè)誤差，是不是可以近似忽略呀，所以我們可以在總體上認(rèn)為Io就等于Iref。上面提到的就是鏡像電流源的工作原理。

我們明白了鏡像電流工作原理之后，要想產(chǎn)生我們需要的電流，比如10uA。按照我們上面的思路，那么第一個(gè)工作，是不是要指定Iref。但是這里面臨一個(gè)問題，就是這個(gè)10uA的電流，如果使用電阻限流的方式來搞，那么就需要非常大的電阻。我們假定供電電壓是20V，電流是10uA，那么差不多需要2MR的電阻，這個(gè)電阻值太大了。電阻值太大了，芯片在封裝的時(shí)候，就會面臨體積上的問題：電阻越大，某種程度上意味著體積越大。這對芯片設(shè)計(jì)是非常不利的，所以我們面臨一個(gè)問題，就是如何使用更小的電阻去產(chǎn)生一個(gè)較小的電流呢？

在運(yùn)放內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的，就是Widlar電流源。我們也可以把它理解成在鏡像電流源上的改進(jìn)版。這個(gè)電流源的拓?fù)淙缦聢D所示。

我這里先給大家分析一下，這個(gè)電路的工作原理。本質(zhì)上，這里是通過R2上電阻的分壓，減少了Vbe2的電壓值。T1和T2這里都是處于放大狀態(tài)，Vbe2的電壓值變小了，那么那么流經(jīng)BE PN節(jié)的電流值也就變小了，進(jìn)而放大之后的電流值Ic也就變小了。那么這樣的話，即使Iref這邊有很大的電流，Io那邊的電流也不會很大，這樣就解決了R1電阻太大不好封裝的問題。具體的公式推導(dǎo)如上圖所示，Is是二極管的反向飽和電流，UT=k*T/q，是一個(gè)常數(shù)。但是這個(gè)電流源也有一定的問題，大家看一下公式中存在UT這個(gè)常數(shù)，但是UT是容易受到溫度影響的，所以Io自然也就容易受到溫度影響。如果，我們對電流的值要求很精密，這個(gè)電流源可能就滿足不了要求了。

解決了Iref電流值設(shè)定的問題之后，我們基本上解決了運(yùn)放中電流源設(shè)計(jì)的主要障礙。但是我們說運(yùn)放放大部分和功率部分的最好都踩在地上，我們才好進(jìn)行電路設(shè)計(jì)是吧。實(shí)際上，大家如果常看運(yùn)放內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖的話，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)恒流源的符號，但是這個(gè)符號經(jīng)常是掛在源端的。比如像LM324這個(gè)片子，它內(nèi)部的恒流源符號很多。關(guān)于圖中的恒流源是怎么做的，可能會有一些疑問，畢竟這塊的電路圖，很少有廠商會畫出來。

那么也就是說，我們希望的是不是一個(gè)P管做的恒流源，不是N管的對吧。一般P管做的恒流源放在源端，N管做的恒流源放在地端是吧。其實(shí)P管的恒流源和N管的恒流源思路是一樣的

那么如圖所示，Iref是不是就可以映射到Io上去了呀，這樣這個(gè)電流源是不是就可以為后面的負(fù)載所用了，對吧。但是741使用的并不是這樣的方案，它使用的是一個(gè)電流反饋的思路，本質(zhì)上應(yīng)該是一樣的。我們下一篇文章，繼續(xù)分析741運(yùn)放的電流源的部分。

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