代码收藏家 uA741运算放大器原理
01
差动输入级
深蓝色虚线区域是741运算放大器的输入级，一共有七颗晶体管Q1至Q7。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各是一个射极跟随器，接至共基极组态的PNP晶体管Q3/Q4。Q3与Q4的用途是电压位准移位器，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。Q3/Q4的另外一个功用就是作为抑制输入级偏置电流飘移的控制电路。
Q5至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的共射增益增加Q5与Q6电流镜复制电流的精准度。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与Q4和Q6集电极电阻并联的乘积，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。
特别值得一提的是，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。
02
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。
03
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。
04
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。
