从今天开始，我们开始分析运算放大器uA741的内部结构，力求把它的工作原理解释清楚透彻。只有了解了运放的内部结构，才能真正看清运放的一些参数，在选择运放的时候才会更有针对性。
虽然新设计的运算放大器几乎在所有可能的方面(速度、噪声、电压范围等)都超越了它。)，最初的741至今仍广受喜爱，仍被广泛使用。我们对运算放大器的学习不能仅仅停留在外围电路的构建上，所以对运算放大器的理解不可能深刻。我想通过这一系列文章把uA741运算放大器的工作原理解释的尽可能的透彻，让大家在学习运算放大器的时候能够走的更深，少走弯路。
与设计外围电路不同，电流源更常用于运算放大器内部。如恒流源、镜像电流源、Widlar电流源、增强型镜像电流源等等。为什么会这样？最重要的原因是运算放大器需要放大差分信号，所以这里就出现了一个问题：如何将电压差转换成差分信号。目前运算放大器内部选用的方案是将电压差转换成电流差。那么要产生这个电流差信号，就需要一个恒流源。其实这类似于加法。两个电流之和是恒定电流，所以一个电流大，另一个电流肯定小。利用该电流差，运算放大器的内部电路将该差信号转换成电压差信号，然后通过该电压差信号驱动中间放大器电路。
目前中间级的放大电路一般都是用达林顿管实现的，所以放大倍数会很大。假设每一级的放大倍数为200倍，那么达林顿管的整体放大倍数将为200 * 200=40000倍。信号放大实现后，输出级需要解决功率输出的问题。运算放大器毕竟是模拟器件，需要一定的承载能力。一般来说，输出级主要由推挽电路构成。当然由于封装的原因，这个电流值不能太大，所以也有保护电路(限流作用)。
综合来看，运放的工作原理如上图，741也不例外。
最常见的电流源可能是电流镜或镜像电流源。其常见拓扑如下图所示。这个电路的目的是实现Io电路和Iref几乎是一样的。这样，如果我们想要得到一个特定的电流Io，那么我们只需要设置Iref，也就是说电流设置在Iref侧，电流输出在Io侧。下面的电路就像一面镜子，可以实现电流的映射。
该镜像电流源的工作原理如下。因为T1和T2刻在同一个晶片上，所以具有很高的对称性。T1和T2的引脚连接在一起，因此它们对地的电位相同。因为对地电位相同，所以它们的基极电流也相同。我们说，这两个管是刻在同一个晶圆，所以他们的放大倍数也大致相同。那么当两个管都处于放大状态时，它们的Ic电流是相同的，即Ic1=Io。
所以在这一点上，我们只是实现了Ic1和Io之间的镜像关系。但我们设计的目的其实是Io=Iref，对吧？所以这里有一定的误差。这个误差值是多少？是Ibf吗？根据上图，Ibf=2*Ib，对吗？如果两个运算放大器T1、T2的放大倍数比较大，我们假设是100倍，那么Ibf引起的误差大概是1/50。这个误差可以近似忽略，所以我们一般可以认为Io等于Iref。上面提到的就是镜像电流源的工作原理。
在我们了解了镜像电流的工作原理之后，如果要产生我们需要的电流，比如10uA。按照我们上面的思路，那么首要的工作就是指定Iref。但是这里有一个问题，就是如果10uA的电流受限于电阻，那么就需要非常大的电阻。我们假设电源电压为20V，电流为10uA，那么差不多需要2MR的电阻，太大了。电阻值过大时，芯片封装时会面临体积的问题：电阻越大，一定程度上体积越大。这对芯片设计非常不利，所以我们面临一个问题，就是如何用更小的电阻产生更小的电流？
在运算放大器内部，是Widlar电流源实现了这一功能。我们也可以理解为镜像电流源上的改进版本。下图显示了该电流源的拓扑结构。
我先给你分析一下这个电路的工作原理。本质上，Vbe2的电压值通过R2上的电阻的分压而降低。这里T1和T2都处于放大状态，Vbe2的电压值变小，所以流过BE PN结的电流值变小，然后放大后的电流值Ic变小。在这种情况下，即使Iref侧有大电流，Io侧也不会有大电流，从而解决了R1电阻过大而无法封装的问题。具体公式推导如上图所示。Is为二极管的反向饱和电流，UT=k*T/q为常数。然而，这种电流源也有一些问题。我们来看看公式中的常数ut，但是UT很容易受温度影响，所以Io自然也很容易受温度影响。如果我们对电流的值非常精确，这个电流源可能无法满足要求。
在解决了Iref的电流值设置问题后，我们基本上解决了运算放大器中电流源设计的主要障碍。但是我们说在运放的放大部分和功率部分最好是脚踏实地，这样才能设计电路。其实如果经常看运算放大器的内部结构图，经常会发现恒流源这个符号，只是这个符号经常挂在源端。比如LM324这样的片子，就有很多恒流源的符号。关于图中的恒流源是如何制作的，可能会有一些疑问。毕竟很少有厂商会画这一块的电路图。
所以也就是说，我们要的是P管构成的恒流源，而不是N管，对吧？一般P管做的恒流源放在源端，N管做的恒流源放在地端对吧？其实P管的恒流源和N管是一样的。
那么如图，Iref是否可以映射到Io，这样这个电流源就可以被后面的负载使用了，对吗？但是741并没有采用这样的方案，它采用的是一种电流反馈的思路，本质上应该是一样的。在下一篇文章中，我们将继续分析741运算放大器的电流源。
