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集成运放UA741的原理与应用的探索

news 2024/11/15 4:59:28

我们发现TI公司提供了UA741的内部电路，此电路包括22个晶体管，11个电阻，1个二极管，1个电容。

1UA741设计需求

1.1有短路保护

UA741的短路保护功能‌是指当输出端发生短路时，该器件能够自动保护自身，防止因短路导致的损坏。输出端短路就是连接输出端到地线‌，例如输出5v被接地。

1.2有失调电压清零功能

失调电压是指当输入端没有输入信号时，输出的偏移电压，它表示了放大器对零输入量的误差情况。uA741的失调电压清零功能可以通过在输入之间连接一个低值电位器来实现。‌

1.3共模电压和差分电压范围宽泛

运算放大器的共模电压是指两个输入端的平均电压‌。

运算放大器的差分电压是指其正输入引脚（非反向输入引脚）与负输入引脚（反向输入引脚）之间的电压差值。‌

1.4无需频率补偿

频率补偿是指对信号进行处理，以消除信号在传输、录制或播放过程中可能引起的频率失真。

UA741无需频率补偿，意思就是UA741频率不会失真。

1.5无锁存

锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，用于缓存数据或在特定输入脉冲电平作用下改变状态。锁存器的主要作用是解决高速控制器与慢速外设之间的不同步问题，以及解决驱动和I/O口既能输出也能输入的问题。集成运放与锁存器在功能和用途上有明显的区别，集成运放不具有锁存功能‌。

1.6有运放的基本功能

集成运算放大器的基本功能

集成：将电路封装，留出接口，使其模块化，便于移植。
运算：对电参量进行加减乘除、积分、微分等计算。
放大器：将电参量进行放大，比如把电压从1V放大至5V。

1.7UA741稳定可靠

UA741生产了五十几年，长期而广泛的应用这么久，依然没有被工程师厌弃，足以证明了UA741的稳定性和可靠性‌。

2UA741设计需求如何实现

读图是对基本电路的熟悉。
电路需看出一级一级的电路，一个一个的模块，不要看是一个一个电阻、电容、三级管，要对基本电路非常熟悉，这样电路阅读才快。实际看电路是电阻、电容、三级管，就是不会。

2.1UA741内部电路图

2.2差动输入级

2.2.1模电知识回顾：

1）晶体管差动‌是一种利用晶体管的差分输入特性来放大两个输入信号的差值的技术。这种技术被称为差分放大电路，也称为差动放大电路。(具体实现看模电差分放大电路)核心理论是公式：U出=β*(U入1-U入2)

2）射极跟随器也就是共集电极放大电路

电压跟随器的作用是将输入电压信号从一个电路输出，而不发生电压放大或减小，通过提供一个更低的输出电阻，可以有效地驱动负载电阻。

3）电流镜：

电流镜的特点对输入电流按一定比例的“复制”作为输出电流。

β（beta）指的是晶体管的交流电流放大系数；hFE（hfe）指的是晶体管的直流放大系数。

4）开环与闭环：

电路中的开环和闭环主要指的是控制系统中的反馈机制。‌

‌开环控制‌是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。这种系统称为开环控制系统。开环控制不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统，相当于单向操作。例如，打开灯的开关后，灯是否亮起对按开关的这个活动没有影响，这就是开环控制的例子。开环控制系统比较简单，容易掌握使用，工作稳定，但精度和速度的提高受到限制，所以一般仅用于不考虑外界影响，或惯性小、精度要求不高的一些系统。

‌闭环控制‌，也称为反馈控制系统，是将系统输出量的测量值与所期望的给定值相比较，由此产生一个偏差信号，利用此偏差信号进行调节控制，使输出值尽量接近于期望值。闭环控制通过将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环、参与控制的控制方式实现。例如，饮水机或较先进的电水壶，它们不用人工管理，能够根据水温自动断电保温或加热，这种系统定位精度高，但系统复杂、调试和维修困难，价格较贵，主要用于高精度的系统。

5）偏置电路是一种直流电路，用于控制‌晶体管、‌场效应管等半导体器件的工作点，使其稳定在某个特定的工作状态。

2.2.2正式分析：

深蓝色虚线区域是UA741的输入级，一共有七颗晶体管Q1至Q7。

1）Q1、Q2

NPN晶体管Q1与Q2组成的差动对，是整个741运算放大器的输入端。此外，Q1/Q2各是一个共集电极放大电路，Q1/Q2集电极接至共基极组态的PNP晶体管Q3/Q4的基极。

2）Q3、Q4

Q3与Q4的用途1是电压位准移位器，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。用途2是作为抑制输入级偏置电流飘移的控制电路。

3）Q5、Q6、Q7

Q5、Q6、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作为共射放大电路的共射增益，增加Q5、Q6电流镜复制电流的精度。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：

A: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。
B: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。
C: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，等于信号电流值i，与Q4集电极电阻R1和Q6集电极电阻R2并联值R1//R2的乘积S=i*(R1//R2)（注意Q4和Q6共集电极，但是Q4的Uce和Q6的Uce是并联关系），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。

4）消除输入端偏移电压

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。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，可以借由外加直流电压将输入端偏移电压消除。

2.3增益级

紫色虚线区域是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。米勒补偿会在放大器的信号路径上置入一个主极点，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。

2.4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，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类推挽式发射极追随器，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。

2.5电流源与偏置电路

红色虚线区域为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：

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。这个偏置电路的重要功能在于提供十分稳定的定电流给放大器的输入级，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。