讲透有史以来广受欢迎的运算放大器μA741（6）---放大级及输出级

大家好，我是张飞实战电子张角老师！

我们来看一下R5这个电阻的作用，如果没有R5这个电阻，那么T5、T6的基极到地的阻抗就是不可以调节的，那么T7的Ib电流也就确定了。T7的Ib电流确定了，那么T7基极的电压也就确定了。我们前面分析过，T7这个管子的存在主要是增强两个输入端的对称性，我们先假定两个输入端的回路是完全对称的。那么T5和T6的C极电压就是相等的。那么对于输出来说，我们是不是希望当Vin+等于Vin-的时候，输出电位是不是零呀。那是不是要求T5和T6的C极电压有一个确定的值呀，这个确定的值可以使得当Vin+ = Vin-的时候，输出电压为零。R5这个电阻的作用也就在于此，它可以调节T7基极的电压，也就是T6 集电极的电压（也就是T5集电极的电压，根据对称性得来），使得输出电位为零。

我们下面看一下放大级，放大级采用的是达林顿管的结构。什么是达林顿管呢，总体上而言，就是两个N管或者P管串联，这样就可以增大放大倍数。这个我们前面也提到过，使用这种方式来提高输入级的内阻。我们从另外一个层面看问题，其实从维护输入桥臂对称性的角度上来讲，从F点输出的电流也不宜较大，那样会拉低F点的电位。因为电流越大，相当于F点到负电源的阻抗也就越低，那么很显然会把F点的电位拉低。那么也就是说，如果把F点看成一个电源的话，它也是希望后级负载的阻抗相对较高。其实这个需求也是必然的，因为F点的作为源的话，它本身的阻抗是也是比较高的，那么自然它就会要求它的负载的阻抗相对高一些。

上图中T10这个管子是一种特殊的三极管，有两个集电极。我们可以通过控制集电极面积的大小，进而控制流过它们的电流。T10这个管子是镜像Q5这个管子的电流的，也是一个电流镜，总的Ic电流也是Iref。这个原理，我们就不再赘述了。在uA741中，流过T9这个管子的电流是0.75Iref，前面我们算过Iref大概是0.73mA，那么流过T9的Ic电流大约就是0.548mA。

我们来看一下uA741的输出级，它的输出级采用的是上N下P的推挽结构，这样可以提高输出功率。这个推挽结构，大家应该比较熟悉了。R9和R10这两个电阻主要是用来进行限流使用的，具体起作用的方式我们后面再讲。T10和T11这两个管子是一个Vbe发生器，也来产生一个固定的压差，这个压差骑在T12和Q7的基极之间，这样就可以防止推挽结构导致的交越失真。在uA741中，这个压差的值是1.2V，这个值大了会导致T12和Q7的损耗比较高；小了，交越失真就会相对严重一些。

Q6这个管子可以看成一个电压抬升器，把T9这个管子集电极电压又抬升了0.7V，Q6这个管子很明显是放大状态接法，同时把信号放大和功率输出隔离开，尽可能减少功率输出部分对信号放大的影响。从驱动能力的角度看，T9最好也是驱动一个高内阻的负载，这样对T9的影响是最小的。

讲透有史以来广受欢迎的运算放大器μA741（5）---增强镜像电流源

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这篇文章，我们从T7这个管子说起。T7这个管子的存在主要是增加对称性，减小运算放大器本身不对称带来的误差。这句话怎么说呢？如果没有T7这个管子，那么T5、T6这两个管子的基极偏置电流，是不是都来自于Q3的Ic。还是沿着上篇文章的例子来分析，如果IN-电压不断抬升，IN-和IN+之间的压差不断增大。那么流过T5的Ie不断增加，那么T5 E极的电压不断抬升；相对应的，流过T6的Ic不断减少，T6 E极的电压不断降低。那么流向T6的Ib电流在不断加大，流向T5的Ib电流在不断减小。因为T7这个管子的存在，T5、T6这两个管子的Ib电流主要来自电源，而对T6的Ic造成的影响是最小的，这个时候T6这个管子Ic和Ib之间的关系才逐渐往饱和方向移动。如果没有这个T7呢，那么T5、T6的Ib电流是不是全部来自Q3的Ic了呀。对于T6这个管子而言，它是不是处于临界放大状态。临界放大状态也是放大状态。那么T6 Rce的阻抗也就降低不到更低的水平，那么反过来说，T5、T6的B极电压也就无法降低到更低的水平，这样会使得T5的Ib减少不到更低的水平，那么对于T5的Ib和Ic而言，放大程度就不会更深。而我们希望的是不是让T5处于深度放大状态，这样才能尽可能提高F点的输出电压。那么很显然把T7去掉的做法，对这种工作状态是不利的。

我们再看另外一个状态，如果IN+大于IN-，那么是不是T6的Ic大于T5的Ic，那么这个时候T5是往饱和状态移动，而T6是往放大状态移动，对吧。我们要想T5的输入增益更大，也就是说T5这个管子C极电压的变化范围更宽，是不是T5的饱和深度越深越好呀。T5要想饱和深度更深，是不是只能T5的基极电压相对来说可以更高一些，或者说在T6的C极电压上升的过程中，T5的基极依然可以获得更多的电流。那么如果没有T7这个管子，T5、T6的基极电流则主要靠Q3的Ie电流分得，如果T5所需的基极电流越大，那么也就会对T6这个管子本身的工作状态造成一定的影响。大家看一下T6这个时候本身就是临界放大状态的接法，二极管当成三极管来使用，那么T6这个管子的Vbe之间的压差也就被锁定了，是零。那么随着T6的Ic电流加大，T6这个管子C极的电压也相对难上去，因为B极和C极电压被T5这个管子B极到地的电压钳位住了。如果通过T7这个管子把T5、T6的基极和T6的C极隔离开，那么T6的C极电压也就会高一些。

那么由于T7的存在，T5和T6的C极电压变化就会更对称一些，比如当IN+电压大于IN-的时候，T6的C极电压可以升高得更高对应着T5的C极电压可以降得更低；当IN-大于IN+的时候，T5的C极电压会升得更高，对应着T6的C极电压可以降得更低。如果没有T7，就没有这样的对称性，如上面两种情况分析，这个时候T6工作在临界饱和状态。但是T7这个器件是不是一定是必须的呢？实际上较新的运算放大器，比如LM324，T7都是不存在的。那么也就是说，其实这样严格的对称性，从实践上来说，应该是不是必须的。

我们下面看一下T5、T6这两个三极管的射极电阻。那么第一个问题就是，为什么这里需要下面需要加两个电阻呢？我们说当IN+=IN-的时候，T5这个管子的C极输出应该是刚刚好使得输出为零。T5的C极输出信号是驱动后级的达林顿管的，也就是中间的放大级。那么我们可以调整这两个电阻使得输出值达到要求，这里本质上也就是实现阻抗匹配，R4+T5的Rce与T2、Q4的Rce之和进行合适的分压，R3+T6的Rce与T1、Q3的Rce之和进行合适的分压。我们今天的分享就先到这里。

讲透有史以来广受欢迎的运算放大器μA741（4）---输入阻抗及输入级差动放大

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我们来看下T1、T2这两个管子的作用，这两个管子主要是用来提高输入阻抗增益的。由于Q2本身的Ic电流很小（假定是20uA），我们假定VB和VC是相等的，那么T1和T2的Ic也是相同的，这个每个管子的Ic只有10uA。假定这个这两个管子每个管子的放大倍数是200，那么T1和T2这两个管子每个管子分配的Ib电流只有 10uA/200 = 0.05uA = 50nA。

那么对于输入信号而言，只有有500nA的通流能力，那么信号的输入就不会失真。当然这里只是估算，但是它从本质上说明了这个运放对输入信号的内阻基本上是没有要求的，不是说内阻一定要多小，需要多高的驱动能力，这样也就提高了这个运放的通用性。当然现在新型的晶体管运放，使用的是两级三极管去提高运放的输入阻抗，这样信号就更不容易失真。

再一个这个运放使用的是N管来提高输入阻抗的，那么这里就有一个问题，也就是如果N管是站在地上的。那么信号也就必须要具备驱动N管的能力，至少信号在A点处产生的电压值呀大于0.7V才行。这样其实也就是提高了对信号的要求，大家想一想，对于一个本来就很微弱的信号，再对它的电压幅值提要求，是不是有点不切实际。uA741为了解决这个问题，使用了一个什么方案呢？它是使用双电源供电来解决这个问题的，它给运放提供了正负两路电源，也就是说T1、T2这两个三极管它的E极电位其实并不是0V，而是负压，这样是不是就解决了输入信号电平电位的问题。但是这个动作又带来了新的问题，那就是必须得有负压电源，那么也就从另外一个方面增加了电路的成本。

目前较新的运放，对内阻的提高上，主要是使用双P管的方案。这样一方面提高了输入阻抗，另外一方面对放大信号的电压幅值没有什么要求，相当于对uA741这款运放的输入级进行了改进。

T5、T6这两个管子起到什么作用呢？我们再来回顾一下这个运放的工作过程，当IN-大于IN+的时候，T2的Ic电流是不是大于T1的Ic电流，那么自然T5的Ic电流大于T6的Ic电流。我们是T5、T6这两个管子，他们的基极电位是相同的，由于它们的Ic电流不同，所以它们的E极电位是不同的。由于T5的Ic大于T6的Ic，所以T5的Ve大于T6的Ve，所以Ibt5<Ibt6。大家注意一下T5和T6两个管子的电流状态，Ict6 < Ict5, 然而Ibt6>ibt5，那说明T5这个管子在往放大的状态移动，而T6这个管子在往饱和的方向移动。当IN-和IN+两个管子的压差达到一定程度的时候，T6这个管子也就达到深度饱和状态。所以说T5、T6这两个管子的存在提高了差分的增益，使得T5这个管子的Vc输出的电压更高。如果没有这两个管子，只有两个电阻，那么输入端的增益就要相对小不少，我们再从另外一个角度说明一下，T5本身的Rce也是一个可变电阻，它集电极到源之间的电流也就是Ic电流越大，那么也就是从源到T5集电极的内阻越小；反过来说，也就是T5的Rce变得越来越大，这样T5的Vc电压也就越来越大。从这个角度上也可以看出来T5、T6这两个管子的存在提高了输入级的放大增益。

T7这个管子的存在主要是增加对称性，减小运算放大器本身不对称带来的误差。这个我们下节课再分析。

讲透有史以来广受欢迎的运算放大器μA741（3）---电流源

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这篇文章，我们来分析一下电源及输入级几个管子的工作状态。

我们下面来看一下，N管和P管的放大接法（恒流源接法）。大家可以看一下，如果负载阻值不超过一定的值，那么Q2和T2就一定是处于放大状态的，这个时候满足Ic = β*Ib这个关系。当负载阻值RL比较大的时候，Vcc/(Rf+RL)能够提供的电流值小于了恒流值，这个时候三极管就会处于饱和状态。那么uA741这个管子里面，从接法上看，T1、T2 、Q3、Q4这四个管子都是放大状态接法，它们具体是工作在什么状态呢？

前面的分析中，我们把IN+和IN-都接到了地上，我们假定此时运放输出的电压为零。下面我们来看一下，如果把IN+和IN-这两个管脚都接到+5V上，这个时候运放的输出会有什么变化？T1、T2这两个管子的工作状态会有什么变化？

从前面的分析可以看出，Q3和Q4这两个管子存在的意义就是引出Ib反馈电流。如果两个输入端的电压都调整成+5V，对于T1、T2这两个管子的Ic和Ib之间的比例关系会发生变化么？这个分析就取决于D点电位在这种状态下是如何变化的。这个时候，运放分析起来就相对比较复杂。我们这里采用极限分析法，可以假定一种极端的情况，如果给IN+和IN-这两个端口都加上电源电压VCC，这个时候T1和T2的Ib电流肯定是加大的，因为T1、T2的Ib和Ic之和是一个定值，所以流经T1、T2这两个管子的Ic之和肯定减小。那么T1、T2这两个管子肯定往饱和方向移动。那么同样的，Q3、Q4也会往饱和方向移动，T1、T2的Vce和Q3、Q4的Vce都在变小，那么这个时候F点的电压也就会上升，这种因为输入电压变化导致的输出电压的变化，我们称之为失调电压。因为T1和T2的Ic和Ib是200倍的放大关系，所以我们认为即使有影响，这个影响也是很小的。那么也就是说T1、T2的Ic电流之和变化很小，也就是T1、T2这两个N管的负载基本不变，那么也就是说T1、T2这两个管子一直工作在放大状态。

实际的工作状态应该是这样的，当T1、T2的Ib增大的时候，意味着Vbd和Vcd的压差在增大，那么这个时候，T1和T2的Ic也要增大。问题是我们前面提到过，这两个电流之和是一个定值，等于T3的Ic。

所以这里只能Vd的电位增加，那么自然Vbd和Vcd之间的压差变小了。那么也就是说Vd这里是一个浮动的电压，在不同的输入电压下呈现不同的值。

Q3、Q4这两个P管，因为它们的放大倍数没有T1、T2大（我们假定N管放大倍数是200倍，P管放大倍数是50倍），但是它们Ic电流也是相等的。所以Q3、Q4这两个管子这两个管子的Ib电流要大一些，这里主要是增强反馈回路的作用。。

下面我们来看一下运算uA741这个运算的放大过程。我们说Q3、Q4的基极电位是相同的。当Vin+大于Vin-的时候，那么流过T1和Q3的Ic电流是要大于T2和Q4的Ic电流的。这个也很好理解，因为Vab大于Vac，而AB回路和AC回路上的是两个相同的PN节。相同的PN节，加上不同的开启电压，那么自然Ib电流是不同的。Ib电流不同，那么自然Ic电流也是不同的。如果Vab大于Vac，那么流过T1和Q3的Ic（I1）是要大于流过T2和Q4的Ic（I2）的，这两个电流值发生变化，就会导致T5的C极电压发生变化，T5的C极电压也就能反映IN+和IN-之间的压差。那么这样也就可以给中间级（增益级）提供放大信号输出。 

讲透有史以来广受欢迎的运算放大器μA741（2）---恒压恒流源

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上一篇文章对uA741的电流源还没有分析结束，下面我们继续往下看741运放内部P管构成的镜像电流源是怎么工作的。下图就是P管组成的电流镜的具体方案，这个和我提出来的方案是不一样的，具体它们的不同之处在哪里，这篇文章就给大家做下详细的分析。

Q1和Q2两个P管镜像恒流源这个地方，能够提供多大的能力，表面上看这个能力是取决于Q2这个电流源的负载。如果它的负载越大，那么提供的电流肯定是越小，反之电流也就越大。实际上真的是这样么？ 

T4集电极处的电压是T4的Rce，R2和Q1的Rce三个电阻分压的结果。我们假定T4的集电极电压Vc上升了，那么Q3/Q4的Vb肯定上升，那自然T1和T2的Ve肯定上升。上面这些都没有疑问对吧。T1和T2这两个管子都是恒流源接法，对吧。也就是说T1和T2这两个管子都是处于放大状态，流经它们的Ib小了，那么自然Ic也会小了。那Q2自身的Ie也就会小了，是吧。Q2这个管子处于临界饱和状态，那么自然它的Ib也就小了。Q1和Q2这两个管子的Ib电流是相同的，那么Q1的Ib电流也就小了，那么Ib放大之后能够提供的电流Ib*βt也就小了，那是不是这个电流就小于原来的电流Ic（T3的Ic电流值）了。这个时候，Q1这个管子就往放大状态移动了对吧，同时T4这个管子往饱和方向移动。管子往放大状态移动，它的Rce是不是变大了呀；管子往饱和方向移动，它的Rce是不是变小了呀。所以就有了Q1的Rce上升，T4的Rce下降状态。那么T4这个管子集电极处的Vc是不是要下降了，那这样就对冲了T4集电极处电压上升的影响，T4集电极处的电压就会保持一个稳定的状态。这个电位稳定了，按照刚才的逻辑推理，那么T1和T2的Ic之和，也就是Q2的Ic是不是就稳定了。所以我们说，流过Q2的Ie电流是一个定值。

当然这个分析过程也可以直接从Q2 Ie或者Ic的角度进行分析，分析的结果其实是一样的，大家可以尝试一下。

反向的调节过程，大家可以自己下去分析一下，这里我们就不再赘述了。

另外大家还发现没有Q2的C极电位，是不是一个固定的电位呀，这个电位是不是Vcc-0.7V。为什么Q2的Vbe一定是0.7V呢？因为Q2这个管子处于临界饱和状态，大家下去可以查一查相关的资料。这里因为Vcc是固定的，Q2的Vbe也是固定的，所以Q2的C极电压一定是固定的。所以这个电源是不是可以认为是一个恒压恒流源。这个设计确实非常巧妙。

在上篇文章中，我们是不是提出了一个自创的恒流源设计方式，如下图所示。

我们这里是不是使用的Q1的Ib电流作为偏置的呀，那么是不是也就是说Q2最大也只能流经这么大的电流，这个是电流镜的根本特征是吧。我们举个例子，当上图中负载的阻抗变大的时候，是不是它就不需要那么多的电流了呀，那这个时候，流经Q2 的Ic电流是不是就没有流经Q1的Ic电流大了呀。但是它们的Ib电流是不是还是相等的，那这个时候Q2是不是就往饱和方向移动了，而且这个时候Q2的集电极电压也不再是Vcc-0.7V了。那么也就是说，这个电流镜的做法，不能够保证Q2 集电极处的恒压恒流特征，具体是不是恒压恒流，取决于负载的状态。

那么我们能不能同样使用反馈的方式来做到让这个电流镜一样恒压恒流呢？比如像刚才那样同样进行电流反馈，我们依然按照刚才的逻辑来分析。假定T2 C极的电压上升了，这肯定会导致Q2的Ic变小，但是这个反馈回路是不是对Q1的Ib是不是没有什么影响呀，大家可以看一下图纸。由于T2 C极的电位上升，确实会导致导致了Q1的Ib变小，那么也就是说Q2的Ib和Ic是同时变小的，这个也没有办法保证Q2集电极处恒压、恒流特征。所以我们提出的那个方案，没有芯片设计方给出的方案更好。

那这样，运放电源部分的设计我们就先到这里。如果我们能够知道每个运放的放大倍数，那么我们就可以精确地计算出来各个支路的电流值到底是多少，这样也算是对电源部分有较为深入的理解了。

Q5和Q6这两个管子的作用主要是调整偏置电压和增加运放的差分增益，这块内容我们下节课再进行探讨。