運算放大器內部電路圖,結構原理詳解-KIA MOS管

經典運算放大器內部框圖：

運算放大器的內部結構

標準的運算放大器都包含下列三個部分：

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。

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。

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）。

電流鏡與偏置電路

右圖中，以紅色虛線標示的區域為741運算放大器的偏置電路及其電流鏡。741運算放大器內部各級所使用的偏置電流均來自此區，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。

正負電源的差值扣掉Q11與Q12的基極-發射極電壓后，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-發射極電壓，對于工作在放大區（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經由Q11/Q10/R2組成的韋勒電流源復制后，再由Q8/Q9組成的電流鏡決定輸入級的偏置電流，從而決定輸入級的直流狀態（DC condition）。

這個偏置電路的重要功能在于提供十分穩定的定電流（constant current）給放大器的輸入級，可讓輸入的共模范圍更大，晶體管不會因為輸入共模電壓的改變而離開應有的工作區。

假設當輸入級晶體管Q1/Q2的偏置電流開始下降時，供應電流給Q1/Q2的電流源Q8會偵測到這個改變，進而改變從Q9流向Q10的電流。此時因為Q9與Q10的集電極端與Q3/Q4的基極端相連，當Q9的電流下降時，Q3/Q4的基極電流必須增加，以滿足由Q10與R2所設定的電流值。

又因為Q3/Q4的基極電流增加，迫使Q3/Q4的發射極電流也必須增加，亦即將整個輸入級的偏置電流拉回原本的大小。這樣的機制等同于一個高增益的負反饋系統，能夠讓輸入級的直流工作點（DC operating point）更加穩定，進而讓輸入級的整體效能更好。

Q12/Q13組成的電流鏡負責提供增益級電路的偏置電流，讓增益級的直流工作點不受其輸出電壓的干擾而飄移。

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。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。

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器件實現的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。

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