741 (операционный усилитель) ⇐ Васина Википедия

[wiki_en]

µA741, первоначально разработанная Дэйвом Фуллагаром в компании Fairchild Semiconductor и выпущенная в 1968 году, представляет собой раннюю микросхему операционного усилителя. |последний = Ли
|первый = Томас Х.
|url = http://www.stanford.edu/class/archive/e ... 8opamp.pdf
|title = Операционные усилители на базе микросхем на протяжении веков
|дата = 18 ноября 2002 г.
|издатель = Стэнфордский университет
|id = Раздаточный материал №18
|series = EE214 Примечания к курсу осени 2002 г.
|статус URL = мертв
|archive-url = https://web.archive.org/web/20121024123 ... 8opamp.pdf
|дата архива = 24 октября 2012 г.
|дата доступа = 5 июля 2011 г.

Его до сих пор часто используют в качестве образовательного примера, особенно в случае недостатков, которые могут иметь операционный усилитель (LM741 |title=Операционный усилитель LM741
|url=https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf
|publisher=Техасские инструменты
|access-date=17 ноября 2025 г.,
UA741 |title=U741 Одиночный операционный усилитель общего назначения
|url=https://www.st.com/resource/en/datasheet/ua741.pdf
|publisher=STMicroelectronics
|дата доступа=17 ноября 2025 г.
|ref=stdatasheet
|date=2001-11-01, …), это исключительно дешевый операционный усилитель, что делает его жизнеспособным выбором в недорогих продуктах массового производства с низкой плотностью
== История ==

После успешного выпуска монолитной микросхемы операционного усилителя µA702, разработанной Бобом Видларом в 1963 году, было доказано, что коммерческий спрос на такие компоненты велик, и, потеряв своего разработчика, Fairchild Semiconductor приступила к созданию более производительного операционного усилителя, чтобы конкурировать с серией LMx01, производимой компанией National Semiconductor, которая наняла Видлара.

Дэйв Фуллагар поработал над улучшением мертвой зоны выходного сигнала, импеданса входного каскада и включил компенсационный конденсатор для улучшения динамических характеристик операционного усилителя.

Изображение:OpAmpTransistorLevel Colored Labeled.svg|thumb|right|500px|Диаграмма на уровне компонентов обычного операционного усилителя 741. Пунктирные линии очерчивают:
== Архитектура ==
Операционный усилитель 741 представляет собой небольшую интегральную схему, как и большинство операционных усилителей, и имеет внутреннюю структуру, состоящую из трех каскадов усиления: # Дифференциальный усилитель (обведен темно-синим цветом) — обеспечивает высокое дифференциальное усиление (коэффициент усиления), подавление синфазного сигнала, низкий уровень шума, высокое входное сопротивление и управление
# Усилитель напряжения (обведен пурпурным цветом) — обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению, однополюсный спад частоты и, в свою очередь, управляет
# Выходной усилитель (обведен голубым и зеленым контуром) — обеспечивает высокий коэффициент усиления по току (низкий выходной импеданс), а также ограничение выходного тока и защиту от короткого замыкания на выходе.
Кроме того, он содержит схему смещения токового зеркала (обведено красным) и компенсационный конденсатор частоты (
== Дизайн ==
=== Строительные блоки ===
==== Дифференциальный усилитель ====
Входной каскад состоит из каскадного дифференциального усилителя (обведен темно-синим цветом), за которым следует активная нагрузка с токовым зеркалом. Это представляет собой усилитель крутизны, превращающий дифференциальный сигнал напряжения на базах Q1, Q2 в сигнал тока на базе Q15.

Он предполагает наличие двух каскадных пар транзисторов, удовлетворяющих противоречивым требованиям. Первый каскад состоит из согласованной пары эмиттерных повторителей NPN Q1, Q2, которые обеспечивают высокий входной импеданс. Второй - согласованная пара общих оснований PNP Q3, Q4, которая устраняет нежелательный эффект Миллера; он управляет активной нагрузкой Q7 плюс согласованной парой Q5, Q6.

Эта активная нагрузка реализована в виде модифицированного токового зеркала Вильсона; его роль заключается в преобразовании (дифференциального) входного сигнала тока в несимметричный сигнал без сопутствующих 50% потерь (увеличение коэффициента усиления операционного усилителя с разомкнутым контуром на
==== Усилитель напряжения ====
Стадия усиления напряжения (класса A) (обведена пурпурным цветом) состоит из двух NPN-транзисторов Q15 и Q19, соединенных в конфигурацию транзистора Дарлингтона | Дарлингтона, и использует выходную сторону токового зеркала, образованного Q12 и Q13, в качестве коллекторной (динамической) нагрузки для достижения высокого коэффициента усиления по напряжению. Выходной транзистор Q20 получает базовое питание от общих коллекторов Q15 и Q19; сдвигатель уровня Q16 обеспечивает базовое управление выходным истоковым транзистором Q14. Транзистор Q22 предотвращает подачу чрезмерного тока на этот каскад на Q20 и, таким образом, ограничивает выходной ток стока.

==== Выходной усилитель ====
Выходной каскад (Q14, Q20, обведен голубым) представляет собой усилитель класса AB. Он обеспечивает выходной привод с сопротивлением около
=== Цепи смещения ===
Цепи смещения обеспечивают соответствующий ток покоя для каждого каскада операционного усилителя.

Транзисторы Q11 и Q10 образуют токовое зеркало Видлара с током покоя в Q10.
==== Дифференциальный усилитель ====
Схема смещения этого каскада задается петлей обратной связи, которая заставляет токи коллектора Q10 и Q9 (почти) совпадать. Любая небольшая разница в этих токах обеспечивает возбуждение общей базы Q3 и Q4.Управление базой входных транзисторов Q1/Q2 представляет собой входной ток смещения и должен быть получен извне. Суммарные токи покоя через Q1 и Q3, а также Q2 и Q4 зеркально отражаются от Q8 к Q9, где они суммируются с током коллектора в Q10, а результат применяется к базам Q3 и Q4.
/>
Токи покоя через Q1 и Q3 (также Q2 и Q4)
Эта схема обратной связи имеет тенденцию подводить узел с общей базой Q3/Q4 к напряжению.
Транзистор Q7 переводит Q5 и Q6 в проводимость до тех пор, пока их (равные) токи коллектора не совпадут с токами Q1/Q3 и Q2/Q4. Ток покоя в Q7 равен
==== Усилитель напряжения ====
Токи покоя в Q16 и Q19 задаются токовым зеркалом Q12/Q13, которое работает со скоростью примерно
==== Выходной усилитель ====
В цепи, включающей Q16 (называемый по-разному резиновым диодом или
=== Дифференциальный режим малого сигнала ===
Небольшой дифференциальный сигнал входного напряжения через несколько этапов усиления тока приводит к гораздо большему сигналу напряжения на выходе.

==== Входное сопротивление ====
Входной каскад с Q1 и Q3 аналогичен паре с эмиттерной связью (паре с длинным хвостом), при этом Q2 и Q4 добавляют некоторое вырождающееся сопротивление. Входное сопротивление относительно велико из-за небольшого тока через Q1–Q4. Типичный операционный усилитель 741 имеет дифференциальное входное сопротивление около
==== Дифференциальный усилитель ====
Дифференциальное напряжение
Эта часть операционного усилителя ловко преобразует дифференциальный сигнал на входах операционного усилителя в несимметричный сигнал на базе Q15 таким образом, чтобы избежать нерационального отбрасывания сигнала в любом плече. Чтобы увидеть, как это происходит, обратите внимание, что небольшое отрицательное изменение напряжения на инвертирующем входе (база Q2) выводит его из состояния проводимости, и это постепенное уменьшение тока передается непосредственно от коллектора Q4 к его эмиттеру, что приводит к уменьшению возбуждения базы для Q15. С другой стороны, небольшое положительное изменение напряжения на неинвертирующем входе (база Q1) приводит этот транзистор в состояние проводимости, что отражается в увеличении тока на коллекторе Q3. Этот ток приводит Q7 дальше в проводимость, что включает токовое зеркало Q5/Q6. Таким образом, увеличение тока эмиттера Q3 отражается на увеличении тока коллектора Q6; увеличенные токи коллектора больше шунтируют от коллекторного узла и приводят к уменьшению базового тока возбуждения для Q15. Помимо избежания растраты
==== Усилитель напряжения ====
Текущий сигнал
==== Выходной усилитель ====
Выходные транзисторы Q14 и Q20 каждый сконфигурированы как эмиттерный повторитель, поэтому усиления по напряжению там не происходит; вместо этого этот каскад обеспечивает коэффициент усиления по току, равный
Коэффициент усиления по току снижает выходное сопротивление, и хотя выходное сопротивление не равно нулю, как это было бы в идеальном операционном усилителе, при отрицательной обратной связи оно приближается к нулю на низких частотах.

=== Другие линейные характеристики ===
==== Общий коэффициент усиления разомкнутого контура ====
Чистый коэффициент усиления по напряжению малого сигнала в разомкнутом контуре операционного усилителя определяется произведением коэффициента усиления по току
==== Коэффициент усиления синфазного сигнала при слабом сигнале ====
Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала или нулевое усиление синфазного сигнала.

В настоящей схеме, если входные напряжения изменяются в одном направлении, отрицательная обратная связь заставляет базовое напряжение Q3/Q4 следовать (при этом
В типичном ОУ 741 коэффициент подавления синфазного сигнала равен
==== Частотная компенсация ====
Новшеством Fairchild μA741 было введение частотной компенсации с помощью встроенного (монолитного) конденсатора, упрощающего применение операционного усилителя за счет устранения необходимости во внешних компонентах для этой функции.
Эта внутренняя компенсация предназначена для достижения стабильности BIBO | безусловной стабильности усилителя в конфигурациях с отрицательной обратной связью, где цепь обратной связи нереактивна, а коэффициент усиления контура равен единице (математический) | единице или выше. Напротив, усилители, требующие внешней компенсации, такие как μA748, могут потребовать внешней компенсации или усиления с обратной связью, значительно превышающего единицу.

==== Входное напряжение смещения ====
Выводы «смещение нуля» можно использовать для размещения внешних резисторов (обычно в виде двух концов потенциометра с ползунком, подключенным к
=== Нелинейные характеристики ===

==== Входное напряжение пробоя ====
Транзисторы Q3, Q4 помогают увеличить реверс.
==== Изменение напряжения выходного каскада и ограничение тока ====
Изменения тока покоя в зависимости от температуры или из-за производственных отклонений являются обычным явлением, поэтому перекрестные искажения могут подвергаться значительным изменениям.

Выходной диапазон усилителя примерно на один вольт меньше напряжения питания, отчасти из-за

===Соображения по применимости===
Хотя Боинг 741 исторически использовался в аудио и другом чувствительном оборудовании, сейчас такое использование встречается редко из-за улучшенных шумовых характеристик (электроники) | шума более современных операционных усилителей. Помимо заметного шипения, операционные усилители 741 и другие старые операционные усилители могут иметь плохой коэффициент подавления синфазного сигнала и поэтому часто вызывают в чувствительном оборудовании гул, передаваемый по кабелю, и другие синфазные помехи, такие как «щелчки» переключателей.

«741» часто означает универсальную микросхему операционного усилителя (например, μA741, LM301, 558, LM324, TBA221 — или более современную замену, такую как TL071). Описание выходного каскада Боинга 741 качественно аналогично для многих других конструкций (которые могут иметь совершенно разные входные каскады), за исключением:
* Некоторые устройства (μA748, LM301, LM308) не имеют внутренней компенсации. Следовательно, они обеспечивают контакт для подключения внешнего конденсатора от выхода к некоторой точке операционного усилителя, если он используется в приложениях с низким коэффициентом усиления с обратной связью. * Некоторые современные устройства имеют выходной сигнал «rail-to-rail», что означает, что выходной сигнал может варьироваться от нескольких милливольт положительного напряжения питания до нескольких милливольт отрицательного напряжения питания.

== Дальнейшее чтение ==

* [https://electronics.stackexchange.com/a/304522/64158 Причины не использовать операционный усилитель 741?] Ответ Энди Бриттона [https://electronics.stackexchange.com/u ... 8/andy-aka Andy aka] на Electronics Stack Exchange

== Примечания ==



Подробнее: https://en.wikipedia.org/wiki/741_(oper ... amplifier)