Операционный усилитель IC 741: основы, внутренняя схема и ключевые характеристики

Введение

Операционные усилители (ОУ) повсюду: аудиоусилители, ЦАП/АЦП в компьютерах, измерительные усилители в промышленности, компараторы, генераторы, фильтры, логарифмические усилители, преобразователи ток/напряжение, интеграторы, дифференциаторы, таймеры 555 и др.

Что внутри ОУ (IC 741)? Как он настроен на различные функции? Каковы его характеристики? Статья дает базовые знания.

Слово «OPERATIONAL» указывает на математические операции (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование) над аналоговыми сигналами. С внешними компонентами современные ОУ решают множество задач. Усиливают как переменный, так и постоянный ток. «AMPLIFIER» — усиление сигнала.

ОУ — высокоусиливающий каскад из дифференциального усилителя, уровня сдвига и выходной ступени. В основе — транзисторная схема с резисторами.

Краткий обзор IC 741

1965 г.: Fairchild выпустила µA709 (первое поколение). Недостатки: нет защиты от КЗ, защелкивание, нужна внешняя частотная компенсация (2 конденсатора + резистор).

1968 г.: Fairchild µA741 (второе поколение) — встроенная компенсация, нет защелкивания, защита от КЧ, частотная стабильность.

Идентификация и распиновка IC 741

Много производителей. Идентификация по 7-символьному коду:

• Префикс — производитель.
• Десигнатор: трехзначный номер типа ОУ + буква температурного диапазона.
• Суффикс — тип корпуса.

Выводы: 7 — +питание, 4 — -питание. Входы: 2 — инвертирующий, 3 — неинвертирующий. 1 и 5 — нулевая настройка (подстроечный резистор 10 кОм). Вывод 8 — не подключен (для стандарта 8-пин DIP).

Внутренняя схема IC 741

20 биполярных транзисторов. Разделим на блоки:

1. Синий блок — дифференциальный усилитель.
2. Красные блоки — зеркала тока.
3. Пурпурный блок — класс А (усилитель напряжения).
4. Зеленый и голубой блоки — уровень сдвига и выходной усилитель класса AB.

Дифференциальный усилитель: каскадные пары Q1/Q3 и Q2/Q4 (NPN эмиттерные повторители + PNP общая база) дают высокое входное сопротивление и усиление. Активная нагрузка Q5, Q6, Q7. Ток Q5/Q6 регулируется 10 кОм между выводами 1 и 5. Подавление общих помех.

Зеркала тока: пары Q8-Q9, Q12-Q13 (уилсоновские), Q10-Q11 (широкие) — стабилизируют режимы.

Класс А: Дарлингтон Q15/Q19 — усиление напряжения. Q22 защищает Q20 (токоприемник) от избыточного тока.

Выходная ступень (класс AB): комплементарная пара Q14/Q20 — выходное сопротивление 50–75 Ом, токовое усиление. Q17 — ограничение тока. Q16 с резисторами 4,5к/7,5к — сдвиг уровня, предотвращает искажения. Частотная компенсация — 30 пФ.

Конфигурации ОУ (IC 741)

Два основных режима:

1. Открытый цикл — идеальное усиление бесконечно, выход в насыщении. Три базовые схемы:
   • Дифференциальный усилитель
   • Инвертирующий усилитель
   • Неинвертирующий усилитель
2. Закрытый цикл (ООС) — отрицательная обратная связь через резистор.
   • Неинвертирующий: Av = 1 + Rf/R1
   • Инвертирующий: Av = –Rf/R1
   • Дифференциальный: усиливает разность входов (формула на рис.)
   • Повторитель напряжения (Voltage Follower): Rf замкнут, R1 разомкнут → Av = 1. Буфер для малых сигналов (мВ) от датчиков.

Характеристики IC 741

1. Входной ток смещения (Input Bias Current)

Средний базовый ток диф. пара. µA741: 80 нА (тип.) … 500 нА (макс.). Ibias = (Ib1 + Ib2)/2.

2. Входной ток смещения (Input Offset Current)

Разность токов входов. Тип. 20 нА. Чем меньше — тем лучше. Iio = |Ib1 – Ib2|.

3. Входное напряжение смещения (Input Offset Voltage)

Напряжение между входами для нулевого выхода. Худший случай 5 мВ.

4. Скорость нарастания (Slew Rate)

Макс. частота без искажений. Тип. 0,5 В/мкс. Измеряют импульсом на входе, осциллограф в двухлучевом режиме. Критичный параметр.

5. Выходная нагрузка

Не менее 2 кОм. Входное сопротивление ~2 МОм, выходное 50–75 Ом. Открытое усиление ~200 000 на низких частотах.

Частотная характеристика (Frequency Response)

В открытом цикле усиление очень высокое, но полоса узкая. Отрицательная ОС снижает усиление, но расширяет полосу пропускания (bandwidth — диапазон частот, который усилитель поддерживает).