本文作者是Ken Shirriff，由電路啊整理后發(fā)布。
在本文中，將帶大家一起探索741運(yùn)算放大器的硅晶片，深入了解其工作原理，并解釋如何利用硅材料構(gòu)建復(fù)雜電路。
采用TO-99金屬封裝的741運(yùn)算放大器
研究始于一個(gè)金屬封裝的741運(yùn)算放大器，如上圖所示。用鋼鋸切開頂部后，我們可以看到內(nèi)部微小的硅晶片（下圖），通過細(xì)導(dǎo)線與引腳相連。
741運(yùn)算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
這是一個(gè)TO-99金屬封裝，頂部已被鋸開。
在顯微鏡下，硅芯片的細(xì)節(jié)清晰可見，如下所示。初看之下，芯片仿佛是一個(gè)令人費(fèi)解的迷宮，但本文將揭示晶體管、電阻和電容是如何在芯片上形成的，并解釋它們?nèi)绾谓M合構(gòu)成運(yùn)算放大器。
741運(yùn)算放大器晶片照片
運(yùn)算放大器是模擬電路中的關(guān)鍵組件。它接收兩個(gè)輸入電壓，將它們相減，將差值放大（放大倍數(shù)可達(dá)100,000或更高），并將結(jié)果以電壓形式輸出。
如果你學(xué)習(xí)過模擬電路，對(duì)運(yùn)算放大器一定不陌生，但對(duì)于其他人來說，這可能是一個(gè)奇怪且看似無用的裝置。
我們真的需要經(jīng)常對(duì)兩個(gè)電壓進(jìn)行減法運(yùn)算嗎？如此高的放大倍數(shù)又有何意義：1伏特的輸入難道會(huì)讓運(yùn)算放大器產(chǎn)生強(qiáng)大的電流輸出嗎？
答案在于反饋機(jī)制：通過引入反饋信號(hào)，輸出可以得到合理的值，而高放大倍數(shù)則使電路性能更加穩(wěn)定。
運(yùn)算放大器可用于實(shí)現(xiàn)放大器、濾波器、積分器、微分器等多種電路，運(yùn)算放大器無處不在：計(jì)算機(jī)的電源利用運(yùn)算放大器進(jìn)行穩(wěn)壓；手機(jī)使用運(yùn)算放大器對(duì)音頻信號(hào)、相機(jī)信號(hào)和廣播蜂窩信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。
集成電路中的NPN晶體管
如果你學(xué)過電子學(xué)，可能見過類似下圖的NPN晶體管示意圖，展示了晶體管的集電極（C）、基極（B）和發(fā)射極（E）。該示意圖將晶體管描繪為兩層N型硅中間夾著一層P型硅的三明治結(jié)構(gòu)，這種N-P-N結(jié)構(gòu)構(gòu)成了NPN晶體管。然而，芯片上的晶體管與這種示意圖截然不同，基極甚至通常不在中間位置！
NPN晶體管符號(hào)和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
下圖展示了741運(yùn)算放大器中一個(gè)晶體管在芯片上的實(shí)際形態(tài)。不同的棕色和紫色區(qū)域代表經(jīng)過不同摻雜處理的硅，形成了N型和P型區(qū)域。淡黃色區(qū)域是芯片硅層上方的金屬層，用于連接集電極、發(fā)射極和基極。
照片下方是一個(gè)橫截面圖，大致展示了晶體管的構(gòu)造方式。實(shí)際結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比書本中的N-P-N三明治復(fù)雜，但仔細(xì)觀察發(fā)射極（E）下方的垂直橫截面，仍可找到構(gòu)成晶體管的N-P-N結(jié)構(gòu)。發(fā)射極（E）導(dǎo)線連接到N+型硅，其下方是連接到基極觸點(diǎn)（B）的P型層，再下方是間接連接到集電極（C）的N+型層。晶體管周圍環(huán)繞著一個(gè)P+環(huán)，用于將其與相鄰組件隔離。
741運(yùn)算放大器中NPN晶體管的結(jié)構(gòu)
集成電路中的PNP晶體管
與NPN晶體管的垂直結(jié)構(gòu)不同，PNP晶體管采用水平（橫向）的P-N-P三明治結(jié)構(gòu)。
下圖展示了741運(yùn)算放大器中的一個(gè)PNP晶體管及其硅結(jié)構(gòu)的橫截面圖。請(qǐng)注意，盡管基極的金屬觸點(diǎn)位于晶體管邊緣，但它通過N型和N+型區(qū)域與集電極和發(fā)射極之間的有源環(huán)實(shí)現(xiàn)了電氣連接。
741運(yùn)算放大器中PNP晶體管的結(jié)構(gòu)
741運(yùn)算放大器的輸出晶體管比其他晶體管更大，并且具有不同的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)大電流輸出。
輸出晶體管必須能夠支持25毫安的電流，而內(nèi)部晶體管的電流僅為微安級(jí)別。下圖展示了其中一個(gè)輸出晶體管，其發(fā)射極和基極采用了多個(gè)交錯(cuò)的“指狀”結(jié)構(gòu)，周圍環(huán)繞著大面積的集電極。
741運(yùn)算放大器中的大電流PNP晶體管
硅片中電阻的實(shí)現(xiàn)方式
電阻是模擬芯片中的關(guān)鍵組件。然而，集成電路中的電阻精度較低，不同芯片之間的電阻值差異可能高達(dá)50%。因此，模擬集成電路的設(shè)計(jì)通常只關(guān)注電阻的比例關(guān)系，而不依賴于電阻的絕對(duì)值，因?yàn)椴煌酒g的電阻比例幾乎保持恒定。
下圖展示了741運(yùn)算放大器中的兩個(gè)電阻，它們采用了不同的實(shí)現(xiàn)方式。左側(cè)的電阻由一條蜿蜒的P型硅條構(gòu)成，阻值約為5千歐。右側(cè)的電阻是“夾斷電阻”，阻值約為50千歐。在夾斷電阻中，頂部的N型硅層使導(dǎo)電區(qū)域變得非常薄（即“夾斷”），從而在相同尺寸下實(shí)現(xiàn)了更高的電阻值。下圖中兩個(gè)電阻的比例相同，但夾斷電阻的阻值是前者的十倍。不過，夾斷電阻的精度相對(duì)較低。
左側(cè)是簡(jiǎn)單的“基極電阻”，右側(cè)是“夾斷電阻”
硅片中電容的實(shí)現(xiàn)方式
741運(yùn)算放大器的電容實(shí)際上是一個(gè)由絕緣層與硅隔離的大型金屬板。集成電路中電容的主要缺點(diǎn)是體積較大。741運(yùn)算放大器中的25皮法電容雖然容量很小，但卻占據(jù)了芯片面積的很大一部分。在晶片照片的中央可以看到這個(gè)電容，它是芯片上最大的結(jié)構(gòu)。
集成電路組件：電流鏡
模擬集成電路中存在一些常見的子電路，初次接觸可能會(huì)感到困惑。在解釋741運(yùn)算放大器的電路之前，先簡(jiǎn)要介紹一下電流鏡和差分對(duì)電路。
電流源的示意圖符號(hào)
如果你看過模擬集成電路的框圖，可能見過上述電流源符號(hào)，并對(duì)電流源的概念及其用途感到好奇。電流源的原理是從一個(gè)已知電流開始，通過簡(jiǎn)單的晶體管電路“克隆”出多個(gè)相同的電流。
下圖展示了電流鏡的實(shí)現(xiàn)方式。參考電流流過左側(cè)的晶體管（在本例中，電流由電阻設(shè)定）。由于兩個(gè)晶體管的發(fā)射極電壓和基極電壓相同，它們提供的電流也相同，因此右側(cè)的電流與左側(cè)的參考電流一致。（更詳細(xì)的解釋大家可以去搜索電流鏡的原理，這里不再展開）
電流鏡電路，右側(cè)的電流復(fù)制自左側(cè)的電流
電流鏡的一個(gè)常見用途是替代電阻。如前所述，集成電路中的電阻不僅體積大，而且精度低。因此，只要有可能，使用電流鏡替代電阻可以節(jié)省空間。
下圖展示了741運(yùn)算放大器晶片的大部分區(qū)域被多個(gè)電流鏡占據(jù)。芯片上半部分中間蜿蜒的大電阻用于控制初始電流，該電流通過多個(gè)電流鏡復(fù)制，為芯片的各個(gè)部分提供受控電流。使用一個(gè)大電阻和多個(gè)電流鏡比使用多個(gè)大電阻更加緊湊和精確。中間的電流鏡略有不同，它為輸入級(jí)提供“有源負(fù)載”，以提高性能。
741運(yùn)算放大器晶片，展示電流鏡及控制電流的電阻
集成電路組件：差分對(duì)
你可能會(huì)好奇運(yùn)算放大器是如何對(duì)兩個(gè)電壓進(jìn)行減法運(yùn)算的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)減法電路并不直觀。這正是差分對(duì)的任務(wù)。
簡(jiǎn)單差分對(duì)電路的示意圖
電流源為差分對(duì)提供固定電流I。如果兩個(gè)輸入電壓相等，電流將平均分配。
上圖展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的差分對(duì)電路。關(guān)鍵在于頂部的電流源提供固定電流I，該電流在兩個(gè)輸入晶體管之間分配。如果輸入電壓相等，電流將平均分配到兩個(gè)支路（I1和I2）。如果其中一個(gè)輸入電壓略高于另一個(gè)，對(duì)應(yīng)的晶體管將導(dǎo)通更多電流，因此一個(gè)支路獲得更多電流，另一個(gè)支路獲得的電流減少。隨著一個(gè)輸入電壓的持續(xù)升高，更多電流將被引入該支路。因此，差分對(duì)是一個(gè)簡(jiǎn)單而巧妙的電路，能夠根據(jù)輸入電壓的差異分配電流。
741運(yùn)算放大器的內(nèi)部模塊電路
接下來簡(jiǎn)要介紹741運(yùn)算放大器的主要模塊電路。
兩個(gè)輸入引腳連接到基于上述差分對(duì)的差分放大器。差分放大器的輸出進(jìn)入第二級(jí)（增益級(jí)），對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大。最后，輸出級(jí)采用大晶體管實(shí)現(xiàn)大電流輸出，并將輸出信號(hào)傳送到輸出引腳。
741運(yùn)算放大器晶片，展示主要功能單元
741運(yùn)算放大器之所以流行，部分原因是其簡(jiǎn)化的電路設(shè)計(jì)減少了元件數(shù)量，帶來了諸多好處。
741運(yùn)算放大器的另一個(gè)受歡迎的特性是其短路保護(hù)功能。許多集成電路在輸出端意外短路時(shí)會(huì)過熱并損壞，但741運(yùn)算放大器包含了巧妙的電路，能夠在損壞發(fā)生前關(guān)閉輸出。
晶片實(shí)物與電路圖對(duì)比
最后
很多人對(duì)芯片內(nèi)部的電路實(shí)現(xiàn)沒有概念，電路啊編者認(rèn)為本文是一篇很好的科普文章。同時(shí)，本文沒完全看懂也沒關(guān)系，畢竟一般情況下不需要了解芯片內(nèi)部的電路功能是怎么實(shí)現(xiàn)的，大家有個(gè)直觀感受即可，需要用到的時(shí)候再深入了解。
盡管741運(yùn)算放大器已有近50年的歷史，但它展示了模擬集成電路的許多有趣特性。下次大家聽音樂、打電話或使用電腦時(shí)，請(qǐng)想一想那些使這些設(shè)備成為可能的微小運(yùn)算放大器，以及背后的741運(yùn)算放大器技術(shù)。
