741 运算放大器的内部结构

图1展示了741运放的内部结构。尽管现代信号放大电路很少使用晶体管和阻容器件来构建电路，但必须承认，有时自行构建电路可能会比集成运放获得更好的效果。因此，理解经典运放的内部结构框图对于我们加深对基础器件原理的认识非常重要，同时对于应对系统设计规格的极限情况，提供了有力的帮助。

1. 差动输入级:
   这一部分采用了差分放大器作为输入级，具备高输入阻抗和低噪声放大的特性。

2. 增益级:
   增益级是运算放大器电压增益的主要来源，它将输入信号放大并转换为单端输出，然后传送到下一级。

3. 输出级:
   输出级具有多种功能要求，包括低输出阻抗、高驱动能力、限流以及短路保护等。

在运算放大器内部，还需要其他必要的电路，如提供各级电路参考电流的偏置电路（bias circuits）等。这些电路的存在使得运算放大器能够更好地工作，并满足不同应用的需求。

差动输入级

深蓝色的虚线所围起来的区域是 741 运算放大器的输入级，一共有七颗晶体管 Q1 至 Q7。NPN 晶体管 Q1 与 Q2 组成的差动对（differential pair）是整个 741 运算放大器的输入端。此外，Q1/Q2 各是一个射极跟随器（emitter follower），接至共基极组态的 PNP 晶体管Q3/Q4。Q3 与 Q4 的用途是电压位准移位器（level shifter），将输入级的电压位准调整至适当的位置，用以驱动增益级的 NPN 晶体管 Q16。Q3/Q4 的另外一个功用就是作为抑制输入级偏置电流飘移的控制电路。

Q5 至 Q7 组成的电流镜是输入级差动放大器的有源式负载。NPN 晶体管 Q7 的作用主要在于利用本身的共射增益增加 Q5 与 Q6 电流镜复制电流的精准度。同时，这个电流镜构成的有源式负载也以下列的过程将差动输入信号转为单端输出信号至下一级：

1. 由 Q3 流出的信号电流（亦即因输入信号改变而引起的电流成分，与偏置电流无关）会流入电流镜的输入端，也就是 Q5 的集电极。电流镜的输出端则是 Q6 的集电极，连接至 Q4

   的集电极。

2. Q3 的信号电流流进Q5，经由电流镜复制到Q6，因此Q3与Q4的信号电流在此被相加。

3. 对于差动信号而言，Q3 和 Q4 的信号电流大小相等、方向相反。因此相加的结果会等

   于原本信号电流的两倍。至此，差动输入转换至单端输出的程序已经完成。

差动输入级送至增益级的电压等于信号电流与 Q4 和 Q6 集电极电阻并联的乘积，对于信号电流而言，Q4 和 Q6 集电极电阻的值非常高，因此开环的增益非常高。

特别值得一提的是，741 运算放大器的输入端电流并不等于零，实际上 741 运算放大器的等效输入电阻约为 2MΩ，这个非理想现象导致 741 运算放大器两个输入端之间的直流电压准位会有些微的差异，这个差异称为输入端偏移电压（input offset）。在 Q5 和 Q6 的发射极有两个用来消除输入端直流电压偏移的端点（offset null），可以借由外加直流电压将输入端偏移电压消除。

增益级

上图中紫色虚线标示的区域是 741 运算放大器的增益级。此增益级电路使用一个达灵顿晶体管Q15 与 Q19，作为 741 运算放大器增益的主要来源。Q13 与 Q16 是达灵顿晶体管的有源负载，而电容 C1 从增益级的输出端连接至输入端，作用是稳定输出信号。这种技巧在放大器电路设计中相当常见，称为米勒补偿（Miller Compensation）。米勒补偿会在放大器的信号路径上置入一个主极点（dominant pole），降低其他极点对于信号稳定度的影响。通常 741 运算放大器主极点的位置只有 10Hz，也就是当 741 运算放大器在开环的情况下，对于频率高于10Hz 的交流输入信号，增益只有原来的一半（在主极点，放大器的增益下降 3dB，即原本增益的一半）。米勒补偿电容能减少高增益放大器的稳定度问题，特别是如果运算放大器有内部的频率补偿机制，能够让使用者更简易地使用。

输出级

741 运算放大器的输出级由图中绿色及浅蓝色虚线包围的区域构成。绿色区域包括 NPN 晶体管 Q16 以及两个电阻 R7 与 R8，主要的功能是电压位准移位器，或是 Vbe 的倍增器。由于基极端的偏置已经固定，因此 Q16 集电极至发射极端的压降恒为一定值。假设 Q16 的基极电流为零，则其基极至发射极间的跨压约为 0.625V（亦为 R8 的跨压），故 R7 与 R8 的电流相等，跨过 R7 的电压约为 0.375V。因此 Q16 集电极至发射极间的跨压约为0.625V+0.375V=1V。这个 1V 跨压会对 741 运算放大器的输出信号造成轻微的交越失真（crossover distortion），有时候在某些用分立式元件实现的 741 运算放大器会改用两个二极管取代 Q16 的功能。

浅蓝色虚线包围的区域，包括晶体管 Q14、Q17，以及 Q20，构成 741 运算放大器的输出级。加上 Q16 所设定的偏置，这个输出级基本上是一个 AB 类（class AB）推挽式（push-pull）发射极追随器（Q14 与 Q20），推动输出级的晶体管是 Q13 与 Q19。741 运算放大器的输出级电压摆幅（output swing）最高约可比正电源低 1V，由晶体管的集电极-发射极饱和电压（Vce(sat)）所决定。

25Ω 电阻 R9 的功能是限制通过 Q14 的电流，最大值不超过 25mA。对于 Q20 而言，限流的功能则借由侦测流过 Q19 发射极电阻 R11 的电流，再以此控制 Q15 的基极偏置电流来达成，而后来的 741 运算放大器对于限流功能有更多改良的设计。虽然 741 运算放大器的输出阻抗不如理想运算放大器所要求的等于零，不过在连接成负反馈组态应用时，其输出阻抗确实非常接近零。

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