集成运放UA741的原理与应用的探索

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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设计思路简化版

1）输入级向第二级输入的是电流信号Iout1。

• Q3、Q4组成的电流镜，使得Ic1必须等于Ic2。
• Q3、Q4组成差分，Q3、Q4的晶体管be输入的能量来自VN和Vp，Q3、Q4的晶体管ce输出的能量来自电流源。
• VN大于Vp时，Iout1作为补充，增加Ic2，使得Ic1等于Ic2；VN小于Vp时，Iout1作为分流，减少Ic2，使得Ic1等于Ic2。

2）第二级向输出级输入的是电压信号

• Iout1流向第二级时，Q5的基极电压需要小于于Q4的集电极电压，第二级的输出电压为负；Iout1流向输入级时，Q5的基极电压需要大于Q4的集电极电压，第二级的输出为正。具体这个过程的简化图没有体现。
• 电容Cc提供内部频率补偿。电容Cc从第二级的输出端连接至输入端，利用电容两端电压不能突变，达到稳定第二级输出信号的作用。

3）输出级是经典的AB类推挽式放大器

 通过添加二极管，即使在基极端没有信号的情况下，晶体管也被偏置在轻微的导通状态，

3UA741设计细节

UA741内部电路图

深蓝色虚线区域是UA741的输入级；紫色虚线区域是741运算放大器的增益级；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；红色虚线区域为741运算放大器的偏置电路及其电流镜。

3.1输入级

集成运算放大器的输入级，需要先对比两个输入信号的差异，然后根据差异向下一级传递一个信号，下一级通过此信号，能识别到差异是怎样的。

UA741内部输入级选择的思路是：将两个输入信号的电压差转化成电流差，然后传递。

第一步分析恒定电流源Q1Q2，看下图：

分析Q2的ie为什么是稳定的？反馈稳定的过程如下图

• 1）首先，根据VCC=T4的ce电阻电压+R2电压+Q1的ce电阻电压，我们可以让T4的集电极电压 Vc 上升，那么Q3/Q4的 Vb 与之相等会跟着上升。
• 2）接着，T1和T2的 Ve 肯定上升。若让T1和T2这两个管子都是处于放大状态，则此时流经T1和T2的 Ib 会变小，于是T1、T2的Ic 、Ie变小；Q2的le 也跟着变小，于是Q2的 lb 变小。
• 3）Q1和Q2这两个管子的 lb 电流是相同的，那么Q1的 Ib 电流也变小，于是 lb 放大之后能够提供的电流 lb * Bt 也就小了。
• 4）Q1的 lb * Bt 变小的趋势受到T3，T4的阻碍，变不小。这个时候，Q1这个管子只能就往放大状态移动，同时T4这个管子往饱和方向移动。因为如果管子往放大状态移动，它的 Rce 变大；如果管子往饱和方向移动，它的 Rce 变小，所以就有了Q1的 Rce 上升，T4的 Rce 下降状态。那么T4这个管子集电极处的 Vc 是不是要下降了，那这样就对冲了T4集电极处电压上升的影响，T4集电极处的电压就会保持一个稳定的状态。
• 5）这个电位稳定了，按照刚才的逻辑推理，那么T1和T2的 Ic 之和，也就是Q2的 Ic 是不是就稳定了。所以我们说，流过Q2的 le 电流是一个定值。
   

上面的分析告诉我们，电流恒定，T1、T2是一个晶圆上生产的，两个挨着的晶体管，他们特性相近‌，同理Q3、Q4等晶体管对的特性都相近，所以恒流源平分给T1、T2  这两路。

第二步分析加上动态的两个输入信号IN+、IN-的效果。IN+、IN-加到Q1Q2基极，产生的ic之和固定相等，产生的ib之不固定，大小分别由IN+、IN-决定。现在可以关注下图蓝色虚线框R1、R2、R3、Q5、Q6，分析IN+、IN-产生的信号Q1-ib和Q2-ib，如何传递到下一级增益级分析下图。

• 1）静态的恒电流源，是Q1Q3Q5和Q2Q4Q6这两组晶体管，分别获得恒流源Q8Q9的一半电流。
• 2）动态的电压源IN+、IN-，会产生Q1-ib和Q2-ib，此能量会通过Q3Q4，来到Q5Q6。
• 3）Q5与Q6是电流镜，因此Q5Q6的电流ic,ib,ie都需要相等。虽然Q1Q3Q5和Q2Q4Q6这两组晶体管的静态电流相等，但是他们还有一个动态电压源IN+、IN-。Q5Q6为了为了保持ic,ib,ie都相等。就需要求助外界。
• 4）求助输入级的上一级，意思是让电压源IN+、IN-大小方向都相等，当然不行。只能求助下一级，这是顺理成章的。所以Q15与增益级的Q16相连。若IN+给Q5的电流大于IN-给Q6的电流，增益级给Q6补充电流。反之吸取电流。

3.2增益级与输出级

增益级

差分信号转换成单端信号从Q5集电极输出，经过Q15和Q16组成的达林顿组态进行放大。R8用来提供合适的偏置点。R9用来限流，通过采用Q17为输入信号提供反馈，当电流增大时，R9电压升高，Q17基极电压升高，则Q17对地释放电流增加，可以看出这是一个负反馈电路。

有个问题Q15的基极电压来自哪里？

给三极管的CE两端施加电压可以导通BE。‌

输出级

Q14、R6和R7的作用是什么？

• 由于输出级为推挽输出结构，因此Q19和Q18的输入端需要大约两个PN结的压差，才能尽可能避免交越失真。
• Q14、R6和R7主要作用便是提供一个固定的压差，这个压差大约为两个PN结的节点压。
• 正常工作时，Q14的导通压降Vbe是个定值，则流过R7的电流也几乎不变。假设Q14不导通，则R6和R7的电流相等，可以计算出Q14发射极与集电极之间的压差。
• 当Q14导通时，实际流过的基极电流很小，所以压差基本保持稳定。

Q18、Q19、Q20、R10、R11的作用是什么？

• Q19和Q18组成推挽输出电路，正信号由上管输出，负信号由下管输出。Q12Q13电流源恒定 ，增益级传过来的动态电流为正流给Q18，为负吸取Q19；
• Q20、R10、R11用于限流 。当输出电流较小时，R10上的压降不足以使Q20导通，此时输入电流信号全部经过Q19放大后输出。当输入电流增大至Q20导通后，Q20的基射压降Vbe基本维持稳定，则经Q19放大后流过R10的电流基本恒定，这说明输入端多余的电流由Q20直接释放到输出端，从而限制输出电流的大小。

4运放的17个主要参数

了解运算放大器规格

5UA741应用

5.1音频放大器

UA741在音频放大器中的应用非常广泛，能够有效地放大音频信号，保持声音质量。在家庭影院系统中，UA741能够提供清晰、稳定的音频放大，增强用户的观影体验‌1。

5.2模拟滤波器

UA741也常用于构建模拟滤波器，如低通、高通、带通和带阻滤波器。这些滤波器在信号处理和通讯系统中广泛应用，用于剔除不需要的频率成分或突出特定的信号‌1。

5.3电压跟随器

UA741具有高共模输出电压范围且无锁存，是电压跟随器应用的理想选择。它具有短路保护功能，并且内部频率补偿可在无需外部组件的情况下确保稳定性。

5.4温度控制电路

UA741还可以用于构建温度控制电路，通过热敏电阻和电压比较器实现温度的恒定控制。这种应用在工业自动化和智能家居系统中非常常见。

6市面上运放的特性

7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。

 参考链接：

uA741运算放大器电路基本原理_ua741放大电路图及原理-CSDN博客

仙童的ua741运算放大器内部电路-CSDN博客

运放741在显微镜下面的细节-电子发烧友网 (elecfans.com)