從今天起，我們開始分析運放uA741的內部結構，爭取把它的工作原理給大家講清楚，講透徹。只有知道了運放的內部結構，我們才真正可能看得清楚運放的一些參數，在運放選型的時候，才會更加有的放矢。

雖然較新設計的運算放大器在幾乎所有可能的方面（速度、噪音、電壓范圍等等）都超過了它，但最初的741仍然廣受喜愛，并在今天依然大量使用。我們對運放的學習，不能僅僅止步于外圍電路的搭建，那樣對運放的了解不可能深刻。我想通過這一系列的文章，爭取能夠把uA741這款運放的工作原理給大家講解得盡可能透徹，讓大家在學習運放的時候，能夠更加深入，少走一些彎路。

與設計外圍電路不同，電流源在運放內部更加常用。比如恒流源、鏡像電流源、Widlar電流源、增強型鏡像電流源等等。為什么會出現這樣的情況呢？其中最為主要的原因，就是運放需要放大的是差分信號，那么這里就遇到一個問題：如何把電壓差轉化為一個差值信號。運放內部目前選擇的方案，就是把電壓差轉化為電流差。那么要產生這個電流差信號，就需要恒流源，其實這里類似一個加法。兩個電流之和是一個恒流，那么一個電流大了，肯定另一個電流就小了。有了這個電流差之后，運放內部的電路再把這個差值信號轉化一個電壓差信號，然后通過這個電壓差信號驅動中間級的放大電路。

中間級的放大電路現在一般采用達林頓管來實現，這樣放大倍數就會很大了，假定每一級的放大倍數是200倍，那么達林頓管總體的放大倍數就會有200*200 = 40000倍。實現了信號放大以后，輸出級需要解決的就是功率輸出的問題了。畢竟運放是一個模擬器件，它需要一定的帶載能力，一般情況下，輸出級主要是使用推挽電路來做的。當然因為受制于封裝的原因，這個電流值也不能太大，所以這里還有保護電路存在（限流作用）。

整體上運放的工作原理，就如上面所示，741也不例外。

大家最常見到的電流源，估計就是電流鏡或者說叫做鏡像電流源源了。它常見的拓撲結構如下圖所示。這個電路的目的，就是實現Io電路和Iref幾乎是相同的。這樣的話，如果我們要想獲得一個特定的電流Io，那么我們只需要去設定Iref就可以了，也就是說Iref側進行電流的設定，在Io側實現電流的輸出。而下面這個電路，就像鏡子一樣，可以實現電流的映射。

這個鏡像電流源的工作原理，大體如下。因為T1和T2是在同一個晶圓上刻出來的，所以它們具有較高的對稱性。T1和T2的引腳是連接在一起的，所以它們對地的電位是相同的。因為對地的電位是相同的，所以它們的基極電流也是相同的。我們說這兩個管子是在同一塊晶圓上雕刻出來的，那么它們的放大倍數是也是近似相同的。那么當兩個管子都是處于放大狀態的時候，他們的Ic電流也就是相同，也就是Ic1 = Io。

那么到了此時，我們只是實現了Ic1和Io的鏡像關系。但是我們設計的目的其實是Io=Iref，是吧，那么也就是說這里存在一定的誤差。這個誤差值是多少呢，是不是Ibf是吧。按照上圖畫下來，Ibf = 2*Ib，對吧。如果T1、T2這兩個運放的放大倍數比較大，我們假定100倍好吧，那么Ibf帶來的誤差是不是差不多在1/50左右呀。這個誤差，是不是可以近似忽略呀，所以我們可以在總體上認為Io就等于Iref。上面提到的就是鏡像電流源的工作原理。

我們明白了鏡像電流工作原理之后，要想產生我們需要的電流，比如10uA。按照我們上面的思路，那么第一個工作，是不是要指定Iref。但是這里面臨一個問題，就是這個10uA的電流，如果使用電阻限流的方式來搞，那么就需要非常大的電阻。我們假定供電電壓是20V，電流是10uA，那么差不多需要2MR的電阻，這個電阻值太大了。電阻值太大了，芯片在封裝的時候，就會面臨體積上的問題：電阻越大，某種程度上意味著體積越大。這對芯片設計是非常不利的，所以我們面臨一個問題，就是如何使用更小的電阻去產生一個較小的電流呢？

在運放內部，實現這個功能的，就是Widlar電流源。我們也可以把它理解成在鏡像電流源上的改進版。這個電流源的拓撲如下圖所示。

我這里先給大家分析一下，這個電路的工作原理。本質上，這里是通過R2上電阻的分壓，減少了Vbe2的電壓值。T1和T2這里都是處于放大狀態，Vbe2的電壓值變小了，那么那么流經BE PN節的電流值也就變小了，進而放大之后的電流值Ic也就變小了。那么這樣的話，即使Iref這邊有很大的電流，Io那邊的電流也不會很大，這樣就解決了R1電阻太大不好封裝的問題。具體的公式推導如上圖所示，Is是二極管的反向飽和電流，UT=k*T/q，是一個常數。但是這個電流源也有一定的問題，大家看一下公式中存在UT這個常數，但是UT是容易受到溫度影響的，所以Io自然也就容易受到溫度影響。如果，我們對電流的值要求很精密，這個電流源可能就滿足不了要求了。

解決了Iref電流值設定的問題之后，我們基本上解決了運放中電流源設計的主要障礙。但是我們說運放放大部分和功率部分的最好都踩在地上，我們才好進行電路設計是吧。實際上，大家如果常看運放內部的結構圖的話，經常會發現恒流源的符號，但是這個符號經常是掛在源端的。比如像LM324這個片子，它內部的恒流源符號很多。關于圖中的恒流源是怎么做的，可能會有一些疑問，畢竟這塊的電路圖，很少有廠商會畫出來。

那么也就是說，我們希望的是不是一個P管做的恒流源，不是N管的對吧。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。其實P管的恒流源和N管的恒流源思路是一樣的

那么如圖所示，Iref是不是就可以映射到Io上去了呀，這樣這個電流源是不是就可以為后面的負載所用了，對吧。但是741使用的并不是這樣的方案，它使用的是一個電流反饋的思路，本質上應該是一樣的。我們下一篇文章，繼續分析741運放的電流源的部分。

責任編輯：haq