741 運算放大器的內部結構
了解運算放大器的內部電路，對於使用者在遭遇應用上的極限而導致 無法達成系統設計規格時，非常有幫助。而雖然各家廠商推出的運算 放大器性能與規格互有差異，但是一般而言標準的運算放大器都包含 下列三個部份：
1. 差動輸入級
o
以一差分放大器（differential amplifier）作為輸入級，提供 高輸入阻抗以及低雜訊放大的功能。2. 增益級
o
運算放大器電壓增益的主要來源，將輸入訊號放大轉為單 端輸出後送往下一級。3. 輸出級
o
輸出級的需求包括低輸出阻抗、高驅動力、限流以及短路 保護等功能。741 運算放大器內部電路
其他在運算放大器內必備的電路還包括提供各級電路參考電流的偏 壓電路（bias circuits）。
[編輯] 電流鏡與偏壓電路
右圖中，以紅色虛線標示的區域為 741 運算放大器的偏壓電路及其電 流鏡（current mirror）。741 運算放大器內部各級所使用的偏壓電流（bias current）均來自此區，而這些偏壓電流的源頭是 39KΩ 的電阻 R1、NPN 電晶體 Q11 以及 PNP 電晶體 Q12。正負電源的差值扣掉 Q11 與 Q12 的基極-射極電壓後，再依照歐姆定律除 R1 的值，即可得到參考電流 源的大小：
上式中 Vbe是雙載子電晶體（bipolar junction transistor, BJT）的基極-射 極電壓，對於操作在主動區（active region）的雙載子電晶體而言，Vbe 通常在 0.7V 左右。
參考電流 Iref經由 Q11/Q10/R2 組成的韋勒電流源複製後，再由 Q8/Q9 組成的電流鏡決定輸入級的偏壓電流，從而決定輸入級的直流狀態
（DC condition）。這個偏壓電路的重要功能在於提供十分穩定的定電 流（constant current）給放大器的輸入級，可讓輸入的共模範圍更大，
電晶體不會因為輸入共模電壓的改變而離開應有的工作區間。假設當 輸入級電晶體 Q1/Q2 的偏壓電流開始下降時，供應電流給 Q1/Q2 的電 流源 Q8 會偵測到這個改變，進而改變從 Q9 流向 Q10 的電流。此時 因為 Q9 與 Q10 的集極端與 Q3/Q4 的基極端相連，當 Q9 的電流下降 時，Q3/Q4 的基極電流必須增加，以滿足由 Q10 與 R2 所設定的電流 值。又因為 Q3/Q4 的基極電流增加，迫使 Q3/Q4 的射極電流也必須增 加，亦即將整個輸入級的偏壓電流拉回原本的大小。這樣的機制等同 於一個高增益的負回授系統，能夠讓輸入級的直流操作點（DC operating point）更加穩定，進而讓輸入級的整體效能更好。
Q12/Q13 組成的電流鏡負責提供增益級電路的偏壓電流，讓增益級的 直流操作點不受其輸出電壓的干擾而飄移。
[編輯] 差分輸入級
深藍色的虛線所圍起來的區域是 741 運算放大器的輸入級，一共有七 顆電晶體 Q1 至 Q7。NPN 電晶體 Q1 與 Q2 組成的差動對（differential pair）
是整個 741 運算放大器的輸入端。此外，Q1/Q2 各是一個射極隨耦器
（emitter follower），接至共基極（common base）組態的 PNP 電晶體 Q3/Q4。Q3 與 Q4 的用途是電壓位準移位器（level shifter），將輸入級 的電壓位準調整至適當的位置，用以驅動增益級的 NPN 電晶體 Q16。
Q3/Q4 的另外一個功用就是作為抑制輸入級偏壓電流飄移的控制電 路。
Q5 至 Q7 組成的電流鏡是輸入級差動放大器的主動式負載（active load）。NPN 電晶體 Q7 的作用主要在於利用本身的共射增益增加 Q5 與 Q6 電流鏡複製電流的精準度。同時，這個電流鏡構成的主動式負 載也以下列的過程將差動輸入訊號轉為單端輸出訊號至下一級：
1. 由 Q3 流出的訊號電流（亦即因輸入訊號改變而引起的電流成 分，與偏壓電流無關）會流入電流鏡的輸入端，也就是 Q5 的 集極。電流鏡的輸出端則是 Q6 的集極，連接至 Q4 的集極。
2. Q3 的訊號電流流進 Q5，經由電流鏡複製到 Q6，因此 Q3 與 Q4 的訊號電流在此被相加。
3. 對於差動訊號而言，Q3 和 Q4 的訊號電流大小相等、方向相反。
因此相加的結果會等於原本訊號電流的兩倍。至此，差動輸入 轉換至單端輸出的程序已經完成。
差動輸入級送至增益級的電壓等於訊號電流與 Q4 和 Q6 集極電阻並 聯的乘積，對於訊號電流而言，Q4 和 Q6 集極電阻的值非常高，因此 開迴路的增益非常高。
特別值得一提的是，741 運算放大器的輸入端電流並不等於零，實際 上 741 運算放大器的等效輸入電阻約為 2MΩ ，這個非理想現象導致 741 運算放大器兩個輸入端之間的直流電壓準位會有些微的差異，這 個差異稱為輸入端偏移電壓（input offset）。在 Q5 和 Q6 的射極有兩 個用來消除輸入端直流電壓偏移的端點（offset null），可以藉由外加 直流電壓將輸入端偏移電壓消除。
[編輯] 增益級
上圖中紫色虛線標示的區域是 741 運算放大器的增益級。此增益級電 路使用一個達靈頓電晶體（Darlington Pair）Q15 與 Q19，作為 741 運 算放大器增益的主要來源。Q13 與 Q16 是達靈頓電晶體的主動負載，
而電容 C1 從增益級的輸出端連接至輸入端，作用是穩定輸出訊號。
這種技巧在放大器電路設計中相當常見，稱為米勒補償（Miller
Compensation）。米勒補償會在放大器的訊號路徑上置入一個主極點
（dominant pole），降低其他極點對於訊號穩定度的影響。通常 741 運算放大器主極點的位置只有 10Hz，也就是當 741 運算放大器在開 迴路的情況下，對於頻率高於 10Hz 的交流輸入訊號，增益只有原來 的一半（在主極點，放大器的增益下降 3dB，即原本增益的一半）。
米勒補償電容能減少高增益放大器的穩定度問題，特別是如果運算放 大器有內部的頻率補償機制，能夠讓使用者更簡易地使用。
[編輯] 輸出級
741 運算放大器的輸出級由圖中綠色及淺藍色虛線包圍的區域構成。
綠色區域包括 NPN 電晶體 Q16 以及兩個電阻 R7 與 R8，主要的功能 是電壓位準移位器，或是 Vbe的倍增器。由於基極端的偏壓已經固定，
因此 Q16 集極至射極端的壓降恆為一定值。假設 Q16 的基極電流為 零，則其基極至射極間的跨壓約為 0.625V（亦為 R8 的跨壓），故 R7 與 R8 的電流相等，跨過 R7 的電壓約為 0.375V。因此 Q16 集極至射 極間的跨壓約為 0.625V+0.375V=1V。這個 1V 跨壓會對 741 運算放大 器的輸出訊號造成輕微的交越失真（crossover distortion），有時候在 某些用分立式元件實現的 741 運算放大器會改用兩個二極體取代 Q16 的功能。
淺藍色虛線包圍的區域，包括電晶體 Q14、Q17，以及 Q20，構成 741 運算放大器的輸出級。加上 Q16 所設定的偏壓，這個輸出級基本上是 一個AB 類（class AB）推挽式（push-pull）射極追隨器（Q14 與 Q20），
推動輸出級的電晶體是 Q13 與 Q19。741 運算放大器的輸出級電壓擺 幅（output swing）最高約可比正電源低 1V，由電晶體的集極-射極飽 和電壓（Vce(sat)）所決定。
25Ω 電阻 R9 的功能是限制通過 Q14 的電流，最大值不超過 25mA。
對於 Q20 而言，限流的功能則藉由偵測流過 Q19 射極電阻 R11 的電 流，再以此控制 Q15 的基極偏壓電流來達成，而後來的 741 運算放大 器對於限流功能有更多改良的設計。雖然 741 運算放大器的輸出阻抗 不如理想運算放大器所要求的等於零，不過在連接成負回授組態應用 時，其輸出阻抗確實非常接近零。
註：雖然早期 741 運算放大器在音響設備或是儀器上被廣泛使用，但 是今日已經有很多性能更好的運算放大器取代了 741 的功能，例如抗 雜訊的表現更好。對於 741 與其他早期的運算放大器而言，它們的共 模抑制比遜於現代的運算放大器，在實際應用時容易造成干擾或是噪 音。
以上節錄自台灣維基百科
