我在電子星球的第【17】篇原創文章 ?
圖 1 741 運放內部結構
現代信號放大電路雖然很少會用到自己用晶體管和阻容器件搭建電路，但是不得不承認，自己搭建電路有時候會得到比集成運放更好的效果。因此，我們有必要了解一下經典運放的內部結構框圖，了解運放內部結構不僅有助于我們加深對基礎器件的原理性認識，而且對于使用者在遭遇應用上的極限而導致無法達成系統設計規格時，非常有幫助。
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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；
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增益級
運算放大器電壓增益的主要來源，將輸入信號放大轉為單端輸出后送往下一級；
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輸出級
輸出級的需求包括低輸出阻抗、高驅動力、限流以及短路保護等功能。
其他在運算放大器內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）。
差動輸入級
深藍色的虛線所圍起來的區域是 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整至適當的位置，用以驅動增益級的 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，這個電流鏡構成的有源式負載也以下列的過程將差動輸入信號轉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）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。
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Q3 的信號電流流進Q5，經由電流鏡復制到Q6，因此Q3與Q4的信號電流在此被相加。
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對于差動信號而言，Q3 和 Q4 的信號電流大小相等、方向相反。因此相加的結果會等
于原本信號電流的兩倍。至此，差動輸入轉換至單端輸出的程序已經完成。
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，作用是穩定輸出信號。這種技巧在放大器電路設計中相當常見，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定度問題，特別是如果運算放大器有內部的頻率補償機制，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域構成。綠色區域包括 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固定，因此 Q16 集電極至發射極端的壓降恒為一定值。假設 Q16 的基極電流為零，則其基極至發射極間的跨壓約為 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元件實現的 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域，包括晶體管 Q14、Q17，以及 Q20，構成 741 運算放大器的輸出級。加上 Q16 所設定的偏置，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應用時，其輸出阻抗確實非常接近零。