講透有史以來廣受歡迎的運(yùn)算放大器μA741(7)
我們接著上面文章,繼續(xù)分析運(yùn)放的輸出級(jí)。受限于運(yùn)放封裝的體積,運(yùn)算放大器的推電流和拉電流都不會(huì)太大。那么為了限制電流超過一定的值,uA741內(nèi)部還專門設(shè)計(jì)了限流電路,包括推電流限制電路和拉電流限制電路。
我們先來看推電流限制電路,這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)主要是靠T13這個(gè)管子。從電源流經(jīng)T12、R9,然后再到負(fù)載(Vo)的電流達(dá)到一定程度的時(shí)候,R9兩端的電壓就會(huì)達(dá)到0.7V。我們來計(jì)算一下這個(gè)電流值。I = 0.7V/R9 = 0.7V/27R = 25mA。那么也就是說,當(dāng)流過R9的電流值達(dá)到25mA左右的時(shí)候,R9兩端的電壓會(huì)達(dá)到0.7V。大家看一下,R9這個(gè)電阻兩端的電壓是不是恰好就是T13的基極和射極的端電壓,那么也就是說此時(shí)T13飽和導(dǎo)通了。T13飽和導(dǎo)通以后,T12的Vbe是不是就小于0.7V了,那么T12是不是就關(guān)閉了。那么自然流過R9的電流就變小了。R9和T13這兩個(gè)器件在這里扮演的,是不是就是一個(gè)負(fù)反饋的角色,本質(zhì)上利用的是N管基極電位和集電極電位相位相反的特性來實(shí)現(xiàn)的。
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下面我們來看一下,拉電流是如何限流的,這個(gè)功能主要是由Q8、T15和T14這三個(gè)器件來實(shí)現(xiàn)的。
當(dāng)運(yùn)放輸出為低的時(shí)候,比如Q6射極電壓低于輸出電壓Vo,那么對(duì)于運(yùn)放來說,電流的流向是從負(fù)載流向Q7的。當(dāng)流經(jīng)R10的電流達(dá)到一定程度的時(shí)候,Q8這個(gè)管子就會(huì)開通了。Q8這個(gè)管子開通了之后,T15這個(gè)管子就會(huì)流過電流了。T14這個(gè)管子是鏡像T15的,這里是一個(gè)鏡像電流源,也就是說T15和T14的集電極電位是相同的。隨著流過T15的電流越來越大,那么T15集電極上的電壓也就越來越低。同理,T14集電極上的電壓也就越來越低,當(dāng)T14集電極上的電壓降低到一定程度之后,那么T8、T9這兩個(gè)管子就會(huì)趨向于關(guān)閉狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候,T9集電極上的電壓就會(huì)升高了,那么Q6射極上的電壓也就提高了,那么流過Q7的Ib和Ic都會(huì)變小了。這樣也就起到了拉電流的保護(hù)作用。
另外,在741內(nèi)部,當(dāng)時(shí)的研發(fā)人員還搞了一個(gè)比較牛逼的發(fā)明,就是在放大級(jí)和輸出級(jí)之間加上了一個(gè)電容,這個(gè)電容也稱作米勒電容。
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因?yàn)門8、T9組成達(dá)林頓管形式,放大倍數(shù)會(huì)很大。如果每個(gè)管子的放大倍數(shù)是100倍,那么兩個(gè)管子聯(lián)合起來就是10000倍。那么也就是說F點(diǎn)電壓微小的變化,都會(huì)在T9的集電極產(chǎn)生非常劇烈的電壓變化。這個(gè)劇烈的dv/dt,其實(shí)對(duì)運(yùn)放的穩(wěn)定性是不利的。為了解決這個(gè)穩(wěn)定性的問題,科學(xué)家們嘗試了很多辦法,最終在uA741這個(gè)運(yùn)放內(nèi)部形成了一個(gè)較為完美的方案,就是加上一個(gè)小電容。在這之前,運(yùn)放內(nèi)部都是沒有電容的。我們下面來看一下,這個(gè)電容可以起到什么樣的效果。我們假定F點(diǎn)電壓是向下降低的,那么T9 C端的電壓是不是急劇上升呀;這個(gè)急劇上升的電壓,會(huì)通過彌勒電容給F點(diǎn)充電,對(duì)吧。那么F點(diǎn)的電位是不是就不會(huì)下降得那么快了。那這樣,T9 C點(diǎn)的電壓也就不會(huì)上升得那么快了,也就是這個(gè)地方的dv/dt也就沒有那么劇烈了,進(jìn)而整個(gè)運(yùn)放系統(tǒng)的穩(wěn)定性也就得到了改善。但是這個(gè)改善,肯定是有成本的。對(duì)于放大交流信號(hào),大家很容易看出來,運(yùn)放整體的增益是下降的;信號(hào)的頻率越高,運(yùn)放整體的增益也就越低。某種意義上講,這個(gè)電容在這里起到的是一個(gè)低通濾波的作用。