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1、 LM741LM741 电路分析电路分析资料摘资料摘录录 电路电路及及原理原理说明说明 版本：版本：1 1. .0 0. .0 0 日期：日期：20122012- -0505- -0202 作者：作者：daiYadaiYa 单位：单位： 修订记录 修订号修订号 修订修订 日期日期 修订修订 作者作者 修订内容修订内容 V1.0.0 2012.5.2 daiYa LM741 内部电路示意图: 任何一种集成运算放大器， 不管其内部电路如何复杂， 总是由一些最基本的单元电路组 成，这些单元电路包括：差分输入级、主偏置电路及恒流源、高增益中间放大器、输出级、 输出短路保护电路等。 1 主偏置电路及恒流
2、源 主偏置电路的作用是给电路中的几个恒流源提供稳定的偏置电压。由电阻 R5和作为二 极管使用的晶体管 T19、T11串联组成的。当电流流过 T19、T11时，会使他们产生一定的结压降 （由于流过二极管的电流是固定的，因此在二极管上产生的压降也是固定的） 。T11上的结压 降加到 T10的基极与负电源 V-之间，使 T10的基极电流和集电极电流固定不变，成为一个恒流 源。T19上的结压降加到 T20的基极与发射极之间。 2 差分输入级 集成运算放大器几乎无一例外地选用差分输入电路。 这是因为采用集成工艺可以在一块 衬底上制作出温度特性一致的差分对管， 而且差分对管的电特性也很一致， 这对提高电路
3、的 温度稳定性、抑制共模干扰很有好处。 差分输入级的作用有两个：一是放大输入信号，二是把双端输入信号变为单端输出。它 由下列单元电路组成：T1T4组成的 NPN-PNP 复合差分对放大管；T5T7组成镜向恒流源电 路，作为差分对管的负载；T8、T9也组成一个镜向恒流源，作为复合差分对管 T1T4的偏置 电路。输入信号由 2、3 两端输入（差模输入） ，输出信号由 T4的集电极单端输出。下面分 析它的工作原理。 为了分析方便，首先假定 T9开路，因为 T8接成二极管，暂将其忽略。这样便可将 T1、 T2看作与电源正极直接相连，从而画出如图所示的输入级电路。图中，T1、T2为两个射极跟 随器，输入
4、信号 V1、V2经 T1、T2输入 T3、T4的发射极。T3、T4的基极是连在一起的，它们的 基极电流 Ib3、 Ib4流向恒流源， 流入恒流源的电流是 I10。 当 V1=V2时， Ib1=Ib2， Ie1=Ie2， Ib3=Ib4， Ie3=Ie4。 复合差分对管本身是双端输入双端输出， 其输出信号电流为 Ie4-Ie3， 因为这时 Ie4-Ie3=0， 所以没有信号电流输出。当 V1V2时，又分为两种情况：一是 V1V2，这时，Ie1Ie2，Ib3Ib4， (Ib3增大， Ib4减小， 但 Ib3与 Ib4的总和不变)， Ie3Ie4， 即 Ie4-Ie30； 二是 V1V2， 这时，
5、Ie1Ie2， Ib3Ib4，Ie30。 由此可见，差分输入电路的输出电流是随着输入信号而变化的，这就是 T1T4复合差分 对管放大差模输入信号的过程。 它和普通差分对放大管累似， 但是它具有 NPN 和 PNP 管两者 的特点： 输入端是 NPN 管的基极， 所以电流放大系数和 NPN 管的值一样高； 而 T3、 T4是 “横 向 PNP 管” ，它们的值虽然低，但 eb 结反向击穿电压很高，因此能承受较大的反向电压， 提高了差模输入电压范围。 T5T7组成一个镜像恒流源电路。它能把差分对管输出的双端输出电流（I0） 。采用单 端输出方法的目的是为了和后边的中间放大级连接方便， 而采用恒流源
6、作差分输出级的有源 负载，不仅能将双端输出变为单端输出，而且电路增益不受损失。下面介绍其工作原理。 T5、T6的基极连在一起，它们的发射极又都通过 1k电阻接到负电源 V-，加之两管又是 用同一工艺制作在一起的， 特性相同， 所以它们的基极电流和集电极电流在任何时候都相等， 即 Ib5=Ib6，Ie5=Ie6。 由图可知，Ie3= Ie5+Ib7，而 Ib7相对于 Ie5来说很小，可忽略不计，所以可以认为 Ie3= Ie5， 既然 Ie3与 Ie5都等于 Ie6，当然也就 Ie3Ie6。前面谈到，Ie4-Ie3就是复合差分对放大管的输 出电流，所以 Ie4-Ie6（=I0）就成了复合差分对放大
7、管的输出电流。然而这个输出电流是 由 T4的集电极引出的，是单端输出，而不是双端输出了，这就是由 T5T7组成的镜像恒流源 把复合差分对放大管的双端输出信号电流变成单端输出信号电流的工作原理。 T5、T6的发射极上都串联了一个 1k的电阻，并且引出两个端子 1、5，这是用来接外 部调零电位器的。尽管差分对管 T1与 T2或 T3与 T4的特性一致，但不可避免地总会有微小的 差别，因此当 V1=V2时，IC3与 IC4就不会完全相等，比如说 Ie4 Ie3，这就造成 Ie5 Ie3，本来 没有差模信号输入，却有电流输出，这是不应该的。补救的办法是通过调节外接电位器来减 小 T5（同时增大 T6）
8、发射极总电阻，使 IC5在输入为 0 时就大于 Ie6和 Ie4，并等于 Ie3。因此 I0= Ie3-Ie5=0，从而实现了调零（调零电位器的两端分别接 1、5 脚，滑臂接地） 。 下面介绍 T8、T9的作用，由于 T3、T4的基极电流之和就等于恒流源 I10，因此既然它们 的基极电流恒定，它们的集电极电流 Ie3、Ie4就只正比于它们的值。 我们知道，在生产过程中，晶体管的值是很难准确控制的，有时相差还很大（指不同 集成块的值，同一集成块中 T3、T4的值相同） ，这就导致各个集成块输入级的工作电流 （Ie3和 Ie4）或大或小，使产品性能分散。增加 T8、T9后，Ib3+Ib4= I10
9、- Ie9。因为 T8、T9为一 镜向恒流源，因此 Ie9=Ie8，且 Ie9随 Ie8而变化，其中 Ie8又等于 T1和 T2的集电极电流之和， 也可近似地认为等于它们发射极电流之和，所以 Ie8= Ie1+Ie2= Ie3+Ie4+ I10,当 T3、T4的值偏 大时，若 Ib3、Ib4不变，则 Ie3、Ie4将增加，从而使 Ie8增加，导致 Ie9也增加。 已知恒流源电流为 I10，所以 Ie8的增加就会迫使流入 I10的 Ib3、Ib4减小，因而又反过来 使 Ie3、Ie4减小，不再随值的不同而变化，使产品的性能趋于一致。 3 高增益放大级 高增益放大级采用达林顿射随器，如下图所示：
10、达林顿射随器 外接电容 C1叫补偿电容，用来防止运算放大器的自激振荡。在正常情况下，运算放大 器的输出信号与同相输入端的相位相同， 与反相输入端的相位相反。 但当输入信号的频率较 高时， 由于电路中寄生电容的反馈作用， 会使输入信号发生附加相移。 当这种相移达到 180 时， 反相输入信号就成了同相输入信号。 当运算放大器作负反馈放大时， 对于高频信号来说， 则变成了正反馈，电路便产生高频自激振荡。消除的方法是降低放大器的高频增益。当附加 相移达到 180时， 使放大器增益小于 1， 以此破坏其产生振荡的条件， 这种方法被称为 “频 率补偿” 。 在高频信号输入时，信号电流I0一部分输入 T1
11、3的基极(Ib)，得到放大；另一部分被 Cf（还有极间寄生电容 CM，但 CM远小于 Cf）旁路掉。频率愈高，If愈大，Ib愈小，增益就越 低，以致在总附加相移还未达到 180时，放大器增益已小于 1，这样便使放大器保持工作 稳定，不会产生自激。 一般来说，C1愈大，工作愈稳定，但这会使频带变窄，不能满足工作要求。通常 C1在几 十皮法到几百皮法之间选用。 4 输出级与输出保护电路 4.1 输出级电路 输出极电路应用互补推挽电路，即互补输出级电路，由 T17与 T18组成，该电路在输入信 号幅度小于 0.5V 时，由于晶体管 T17、T18均未导通，将使输出电流产生交越失真现象。克服 交越失真
12、的常用方法是， 在 PNP 和 NPN 射随器之间加一定的正向偏置， 静态时使晶体管 T17、 T18微导通，工作在甲乙类状态。虚线框内为加偏置的电路：VBE倍增电路。 输出级与输出保护电路 4.2 输出保护电路及其工作原理 T16与 R8构成正向输出保护电路，输出管 T17输出电流较小时，电阻 R8上产生的压降小于 T16的导通电压，T16截止，不影响电路的工作。输出管 T17的输出电流增加时，R8上的压降随 着增大，压降增大到 T16的导通电压时，T16导通并分流流入 T17基极电流，从而使 T17的发射 极电流下降，起到保护作用。 T12与 R11构成负向输出保护电路，当输出负向信号时，信号电流 IL很大，则 T18的基极 电流 IB18必定很大，而 IB18是由 T14提供的，因此流过 T14的发射极电流必然很大，使 R11上的 压降随之增大。输出的负向电流越大，当 R11上的，压降增大到 T12的导通电压时，T12开始导 通，并分流 T13的基极电流，从而限制了输出电流，达到保护的目的。 负向保护电路 参考文献 1 淡文心，刘本鸿运放及模拟集成电路M北京：国防工业出版社，1986 2 肖景和集成运算放大器应用精粹M北京：人民邮电出版社，2006
