运算放大器的原理与应用（讲透有史以来广受欢迎的运算放大器μA741）

我们接着上面文章，继续分析运放的输出级。受限于运放封装的体积，运算放大器的推电流和拉电流都不会太大。那么为了限制电流超过一定的值，uA741内部还专门设计了限流电路，包括推电流限制电路和拉电流限制电路。

我们先来看推电流限制电路，这个功能的实现主要是靠T13这个管子。从电源流经T12、R9，然后再到负载（Vo）的电流达到一定程度的时候，R9两端的电压就会达到0.7V。我们来计算一下这个电流值。I = 0.7V/R9 = 0.7V/27R = 25mA。那么也就是说，当流过R9的电流值达到25mA左右的时候，R9两端的电压会达到0.7V。大家看一下，R9这个电阻两端的电压是不是恰好就是T13的基极和射极的端电压，那么也就是说此时T13饱和导通了。T13饱和导通以后，T12的Vbe是不是就小于0.7V了，那么T12是不是就关闭了。那么自然流过R9的电流就变小了。R9和T13这两个器件在这里扮演的，是不是就是一个负反馈的角色，本质上利用的是N管基极电位和集电极电位相位相反的特性来实现的。

下面我们来看一下，拉电流是如何限流的，这个功能主要是由Q8、T15和T14这三个器件来实现的。

当运放输出为低的时候，比如Q6射极电压低于输出电压Vo，那么对于运放来说，电流的流向是从负载流向Q7的。当流经R10的电流达到一定程度的时候，Q8这个管子就会开通了。Q8这个管子开通了之后，T15这个管子就会流过电流了。T14这个管子是镜像T15的，这里是一个镜像电流源，也就是说T15和T14的集电极电位是相同的。随着流过T15的电流越来越大，那么T15集电极上的电压也就越来越低。同理，T14集电极上的电压也就越来越低，当T14集电极上的电压降低到一定程度之后，那么T8、T9这两个管子就会趋向于关闭状态。这个时候，T9集电极上的电压就会升高了，那么Q6射极上的电压也就提高了，那么流过Q7的Ib和Ic都会变小了。这样也就起到了拉电流的保护作用。

另外，在741内部，当时的研发人员还搞了一个比较牛逼的发明，就是在放大级和输出级之间加上了一个电容，这个电容也称作米勒电容。

因为T8、T9组成达林顿管形式，放大倍数会很大。如果每个管子的放大倍数是100倍，那么两个管子联合起来就是10000倍。那么也就是说F点电压微小的变化，都会在T9的集电极产生非常剧烈的电压变化。这个剧烈的dv/dt，其实对运放的稳定性是不利的。为了解决这个稳定性的问题，科学家们尝试了很多办法，最终在uA741这个运放内部形成了一个较为完美的方案，就是加上一个小电容。在这之前，运放内部都是没有电容的。我们下面来看一下，这个电容可以起到什么样的效果。我们假定F点电压是向下降低的，那么T9 C端的电压是不是急剧上升呀；这个急剧上升的电压，会通过弥勒电容给F点充电，对吧。那么F点的电位是不是就不会下降得那么快了。那这样，T9 C点的电压也就不会上升得那么快了，也就是这个地方的dv/dt也就没有那么剧烈了，进而整个运放系统的稳定性也就得到了改善。但是这个改善，肯定是有成本的。对于放大交流信号，大家很容易看出来，运放整体的增益是下降的；信号的频率越高，运放整体的增益也就越低。某种意义上讲，这个电容在这里起到的是一个低通滤波的作用。