运算放大器uA741的内部结构

运算放大器uA741的内部结构

从今天起，我们开始分析运放uA741的内部结构，争取把它的工作原理给大家讲清楚，讲透彻。只有知道了运放的内部结构，我们才真正可能看得清楚运放的一些参数，在运放选型的时候，才会更加有的放矢。

整体上运放的工作原理，就如上面所示，741也不例外。

大家最常见到的电流源，估计就是电流镜或者说叫做镜像电流源源了。它常见的拓扑结构如下图所示。这个电路的目的，就是实现Io电路和Iref几乎是相同的。这样的话，如果我们要想获得一个特定的电流Io，那么我们只需要去设定Iref就可以了，也就是说Iref侧进行电流的设定，在Io侧实现电流的输出。而下面这个电路，就像镜子一样，可以实现电流的映射。

这个镜像电流源的工作原理，大体如下。因为T1和T2是在同一个晶圆上刻出来的，所以它们具有较高的对称性。T1和T2的引脚是连接在一起的，所以它们对地的电位是相同的。因为对地的电位是相同的，所以它们的基极电流也是相同的。我们说这两个管子是在同一块晶圆上雕刻出来的，那么它们的放大倍数是也是近似相同的。那么当两个管子都是处于放大状态的时候，他们的Ic电流也就是相同，也就是Ic1 = Io。

那么到了此时，我们只是实现了Ic1和Io的镜像关系。但是我们设计的目的其实是Io=Iref，是吧，那么也就是说这里存在一定的误差。这个误差值是多少呢，是不是Ibf是吧。按照上图画下来，Ibf = 2*Ib，对吧。如果T1、T2这两个运放的放大倍数比较大，我们假定100倍好吧，那么Ibf带来的误差是不是差不多在1/50左右呀。这个误差，是不是可以近似忽略呀，所以我们可以在总体上认为Io就等于Iref。上面提到的就是镜像电流源的工作原理。

我们明白了镜像电流工作原理之后，要想产生我们需要的电流，比如10uA。按照我们上面的思路，那么第一个工作，是不是要指定Iref。但是这里面临一个问题，就是这个10uA的电流，如果使用电阻限流的方式来搞，那么就需要非常大的电阻。我们假定供电电压是20V，电流是10uA，那么差不多需要2MR的电阻，这个电阻值太大了。电阻值太大了，芯片在封装的时候，就会面临体积上的问题：电阻越大，某种程度上意味着体积越大。这对芯片设计是非常不利的，所以我们面临一个问题，就是如何使用更小的电阻去产生一个较小的电流呢？

在运放内部，实现这个功能的，就是Widlar电流源。我们也可以把它理解成在镜像电流源上的改进版。这个电流源的拓扑如下图所示。

那么也就是说，我们希望的是不是一个P管做的恒流源，不是N管的对吧。一般P管做的恒流源放在源端，N管做的恒流源放在地端是吧。其实P管的恒流源和N管的恒流源思路是一样的

那么如图所示，Iref是不是就可以映射到Io上去了呀，这样这个电流源是不是就可以为后面的负载所用了，对吧。但是741使用的并不是这样的方案，它使用的是一个电流反馈的思路，本质上应该是一样的。我们下一篇文章，继续分析741运放的电流源的部分。