經(jīng)典運(yùn)算放大器內(nèi)部框圖:
運(yùn)算放大器內(nèi)部電路圖
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)。
運(yùn)算放大器內(nèi)部電路圖
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(jiǎn)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。
〈烜芯微/XXW〉專業(yè)制造二極管,三極管,MOS管,橋堆等,20年,工廠直銷省20%,上萬家電路電器生產(chǎn)企業(yè)選用,專業(yè)的工程師幫您穩(wěn)定好每一批產(chǎn)品,如果您有遇到什么需要幫助解決的,可以直接聯(lián)系下方的聯(lián)系號(hào)碼或加QQ/微信,由我們的銷售經(jīng)理給您精準(zhǔn)的報(bào)價(jià)以及產(chǎn)品介紹
聯(lián)系號(hào)碼:18923864027(同微信)
QQ:709211280