运算放大器的内部结构

算放大器的内部电路，对于使用者在遭遇应用上的极限而导致无法达成系统设计规格时，非常有帮助。而虽然各家厂商推出的运算放大器性能与规格互有差异，但是一般而言标准的运算放大器都包含下列三个部分：

差动输入级

以一差分放大器作为输入级，提供高输入阻抗以及低噪声放大的功能。

增益级

运算放大器电压增益的主要来源，将输入信号放大转为单端输出后送往下一级。

输出级

输出级的需求包括低输出阻抗、高驱动力、限流以及短路保护等功能。

其他在运算放大器内必备的电路还包括提供各级电路参考电流的偏置电路（bias circuits）。
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电流镜与偏置电路

右图中，以红色虚线标示的区域为741运算放大器的偏置电路及其电流镜。741运算放大器内部各级所使用的偏置电流均来自此区，而这些偏置电流的源头是39KΩ的电阻R1、NPN晶体管Q11以及PNP晶体管Q12。正负电源的差值扣掉Q11与Q12的基极-发射极电压后，再依照欧姆定律除R1的值，即可得到参考电流源的大小：

上式中Vbe是双载流子晶体管的基极-发射极电压，对于工作在放大区（active region）的双载流子晶体管而言，Vbe通常在0.7V左右。

参考电流Iref经由Q11/Q10/R2组成的韦勒电流源复制后，再由Q8/Q9组成的电流镜决定输入级的偏置电流，从而决定输入级的直流状态（DC condition）。这个偏置电路的重要功能在于提供十分稳定的定电流（constant current）给放大器的输入级，可让输入的共模范围更大，晶体管不会因为输入共模电压的改变而离开应有的工作区。假设当输入级晶体管Q1/Q2的偏置电流开始下降时，供应电流给Q1/Q2的电流源Q8会侦测到这个改变，进而改变从Q9流向Q10的电流。此时因为Q9与Q10的集电极端与Q3/Q4的基极端相连，当Q9的电流下降时，Q3/Q4的基极电流必须增加，以满足由Q10与R2所设定的电流值。又因为Q3/Q4的基极电流增加，迫使Q3/Q4的发射极电流也必须增加，亦即将整个输入级的偏置电流拉回原本的大小。这样的机制等同于一个高增益的负反馈系统，能够让输入级的直流工作点（DC operating point）更加稳定，进而让输入级的整体效能更好。

Q12/Q13组成的电流镜负责提供增益级电路的偏置电流，让增益级的直流工作点不受其输出电压的干扰而飘移。

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：

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。
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。
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器件实现的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。

注：虽然早期741运算放大器在音响设备或是仪器上被广泛使用，但是今日已经有很多性能更好的运算放大器取代了741的功能，例如抗噪声的表现更好。对于741与其他早期的运算放大器而言，它们的共模抑制比逊于现代的运算放大器，在实际应用时容易造成干扰或是噪音。参考原文：《运算放大器的内部结构》

运算放大器分类及内部结构

1.什么是运放?

电学中能够实现信号、功率放大的器件，称为放大器，英文为Amplifier。

以放大器为核心，能够实现放大功能的电路组合，称为放大电路。
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2.运算放大器的分类

(1) 按工艺分类，即运放选择的元件类型，分为双极型、JFET 型和CMOS 型。

双极型具有：低输入阻抗、高速、低噪声、低失调、高耐压等特点。如常用的有LM358系列。

JFET 型具有：中等输入阻抗、中等噪声、失调大。

CMOS 型具有：高输入阻抗、噪声大、失调大、功耗低。常用的有LMV358系列

(2)按精度分类，通常看offset 和噪声分，分为通用型(mV 级失调)、高精度(uV级失调)和低噪声(把带宽提高了)。

(3)按速度分类，通常看带宽分，分为高速(100Hz 甚至GHz 以上)、中等速度(几十MHz)和低速(KMz或MHz)。

(4)按功耗分类，分超低功耗(nA级IQ)、微功耗(uA级IQ)和通用型(大于10uA以上)。

简单小结：

低功耗——IQ 小——速度慢——噪声大

高精度——VOS 小——IQ 大——低噪（结构或IQ 贡献）

高速度——IQ 大——低噪声（热噪声）

3.运算放大器内部框图

实际运放不是理想的，受到许多限制，为了理解和讨论这些限制的源头，需要立即运放的内部电路，下图是内部的简化框图。
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这个电路包含三个级，输入级，中间级，输出级。

输入级的功能是放大输入差分Vp-Vn，并将其转换为单端信号。中间级进一步放大信号并提供频率补偿。输出级提供输出驱动能力。

输入级

输入级的对称性是其工作的关键。晶体管对 Q1-Q2和Q3-Q4尽可能地匹配。Q3是二极管连接的（将三极管连接成二极管，在电路中起温度补偿作用（温度升高，基极变低，从而稳定温度对Q4的影响），将发射级和基极连接）。这将迫使Q3中的集电极电流等于IC1。Q3和Q4的基发射极结是平行的，因此它们都看到相同的VBE。由于Q4与Q3匹配，其集电极电流也等于IC1。这个电路叫做电流镜。

电流源2IE分为Q1和Q2。这个划分取决于输入电压Vp和Vn。当Vp大于Vn时，Q1的电流大于Q2，IC1大于IC2。

Q3-Q4的电流镜作用导致IOUT1流入Q2-Q4的集电级。当Vn大于VP时，Q2的电流大于Q1，IC2大于IC1。Q3-Q4的电流镜动作导致IOUT1流出Q2-Q4的集电级。IOUT1是第一级输出的单端信号，与差分输入Vp-Vn成正比。IOUT1=gm1（Vp-Vn）。术语gm1被称为输入级的跨导。输入级是一个跨导放大器。

中间级

第二级将IOUT1转换为电压并提供频率补偿。如果IOUT1流入Q2-Q4的集电极-集电极结，则第二级输出电压被驱动为正。如果IOUT1从Q2-Q4的集电极-集电极结流出，则第二级输出电压被驱动为负。第二级是电阻放大器，第二级电容器CC提供内部频率补偿。它使增益随着频率的增加而降低。没有CC电容，在大多数应用中需要外部补偿，防止运算放大器振荡。