运算放大器的体系结构和设计技术

半导体

半导体制造商生产各种运算放大器IC。一些针对高速进行了优化，其他针对高精度进行了优化；一些使用双极结型晶体管，另一些使用场效应晶体管；大多数是电压反馈型的，但有些是为电流反馈而设计的。因此，现代运算放大器的原理图存在无数种变化，而且，我们无权使用这些原理图。这就是为什么研究741运算放大器很有意义的原因。
741于1968年首次推出。它是一种基于BJT的设备，已成为第一批高性能，用户友好型运算放大器之一，具有近乎传奇的地位。尽管741不再是最先进的设备，但仍然可以很好地介绍运算放大器设计的基本原理。

这是德州仪器（ti）的LM741数据表中提供的示意图。

三阶段建筑分析诸如741电路之类的电路时，我们要做的第一件事是将原理图划分为多个阶段，即将电路划分为具有相干功能的子电路，并与其他子电路一起工作以创建设备的整体功能。
741体现了一种直观而有效的架构，这将是许多放大器系统设计的良好起点。它由输入级，中间级和输出级组成。

运算放大器输入级输入级接受两个输入信号，并将它们转换为单端信号，然后传送到中间级。

晶体管Q3和Q4形成差分对，这就是为什么我们说运算放大器具有差分输入级。输入信号被差分放大，而不是独立的信号。
如您所见，运算放大器的输入端子直接连接到双极结型晶体管的基极。这导致非常低的输入电流。差分对具有一个有源负载，并产生一个单端输出信号（在Q6的集电极处），该信号成为下一级的输入。

中级运算放大器阶段中间级包括三个晶体管（Q15，Q17，Q13），其目的是大大增加信号的幅度。换句话说，这是一个高收益阶段。

从输入级接收输出信号的晶体管（Q15）被配置为发射极跟随器（提供高输入阻抗），并且该发射极跟随器的输出被传送到配置为公共端的晶体管（Q17），发射极放大器（提供高增益）；输出信号来自该晶体管的集电极。
该共射极放大器的负载是充当电流源的晶体管（Q13）；因此，输入级和中间级都受益于使用有源负载。（如果您想了解为什么有源负载均优于电阻负载，请参阅这篇文章和它的续集。）
您可能已经注意到，中间级包括一个电容器（C1）。这实际上是一个非常重要的组成部分。它被称为补偿电容器，借助米勒效应，它极大地改变了运算放大器的频率响应。有关更多信息，请参阅AAC关于运算放大器频率补偿的文章。

运算放大器输出级在这一点上，我们已经差分放大了输入信号，将它们转换为单端电压，施加了高增益，并有益地修改了放大器的频率响应。现在我们需要在信号传递到输出端子之前对其进行缓冲。
“缓冲器”一词表示电路提供低输出阻抗和良好的电流驱动能力，而741通过AB类输出级实现这些特性。AB类输出配置将B类配置的高效率与A类配置的低失真结合在一起。

摘要