Op-Amp IC 741 или LM741 — одна из наиболее используемых интегральных схем операционных усилителей, которая может выполнять как математические операции, так и функции усиления. Эта небольшая микросхема в основном выполняет математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование, интегрирование и т. д. в различных схемах.

Это усилитель с высоким коэффициентом усиления, состоящий из BJT (биполярного транзистора) или FETS (полевого транзистора), который часто питается как от положительного, так и от отрицательного напряжения питания. Впервые он был разработан Fairchild Semiconductor в 1963 году.

В этом руководстве мы узнаем об основных принципах работы операционного усилителя LM741, его характеристиках, схемах, конфигурации выводов и приложениях. Если возможностей LM741 вам не хватает, вы можете присмотреться к LM358 Dual Audio Amplifier IC, которая содержит пару схем операционных усилителей.

Технические характеристики LM741

Ниже приведены основные технические характеристики операционного усилителя IC 741:

• Электропитание: для правильной работы требуется напряжение не менее 5 В, устройство может работать с напряжением до 18 В.
• Входное сопротивление: около 2 МОм.
• Выходное сопротивление: около 75 Ом.
• Диапазон частот составляет от 0 Гц до 1 МГц.
• Коэффициент усиления напряжения: 2,00,000 для минимального диапазона частот.
• Скорость нарастания напряжения (скорость, с которой операционный усилитель может обнаружить изменение напряжения): 0,5 В/мкс.
• Входное смещение: в диапазоне 2 мВ–6 мВ.
• Выходная нагрузка: рекомендуется более 2 кОм.
• Максимальный выходной ток: 20 мА.

Примечание: Для того, чтобы операционный усилитель функционировал как усилитель напряжения, рекомендуются высокие значения входного импеданса и низкого выходного импеданса. Такой импеданс делает операционный усилитель IC 741 почти идеальным усилителем напряжения. Вышеуказанные характеристики являются общими и могут отличаться в зависимости от производителя.

Конфигурация контактов операционного усилителя LM741

Символическое обозначение и конфигурация контактов операционного усилителя 741 показаны ниже. Его микросхема содержит восемь контактов. Среди них контакты 2, 3 и 6 являются наиболее значимыми контактами, где контакты 2 и 3 представляют собой инвертирующие и неинвертирующие клеммы соответственно, а контакт 6 представляет собой выходное напряжение. Контакт 8 неактивен в схеме.

Число 741 в названии микросхемы указывает на то, что имеется 7 активных контактов, 4 контакта (2,3,4,7) способны принимать входные данные, а 1 контакт (вывод 6) является выходным контактом. Треугольная форма в ИС представляет собой интегральную схему операционного усилителя.

Функциональность каждого контакта следующая:

Контакты блока питания (контакт 4 и контакт 7):

Pin 4 и Pin 7 являются клеммами отрицательного и положительного напряжения питания соответственно. Питание, необходимое для работы IC, поступает с обоих этих контактов. Уровень напряжения между этими контактами может находиться в диапазоне от 5 В до 18 В.

Входные контакты (контакт 2 и контакт 3):

Контакты 2 и 3 являются входными контактами для операционного усилителя IC. Контакт 2 считается инвертирующим входом, а контакт 3 — неинвертирующим входом. Когда напряжение на контакте 2 больше напряжения на контакте 3, т. е. напряжение на инвертирующем входе выше, то выходной сигнал низкий. Аналогично, когда напряжение на контакте 3 больше напряжения на контакте 2, т. е. напряжение на неинвертирующем входе выше, то выходной сигнал высокий.

Выходной контакт (контакт 6):

Контакт 6 является выходным контактом операционного усилителя LM741. Выходное напряжение на этом контакте зависит от уровня напряжения на входных контактах и используемого подхода обратной связи. Когда напряжение на этом контакте высокое, это означает, что выходное напряжение аналогично положительному напряжению питания. Аналогично, когда напряжение на этом контакте низкое, это означает, что выходное напряжение аналогично отрицательному выходному напряжению.

Смещение нулевого контакта (контакт 1 и контакт 5):

Контакты 1 и 5 используются для смещения напряжения в операционном усилителе LM741. Из-за более высокого усиления напряжения операционного усилителя LM741 даже минимальное изменение напряжения на инвертирующих и неинвертирующих входах, вызванное отклонениями в процедуре построения или другими внешними помехами, может повлиять на выходное напряжение. Чтобы преодолеть этот эффект, можно применить смещение напряжения на контактах 1 и 5, и это обычно делается с помощью потенциометра.

Неподключенный контакт (контакт 8):

Контакт 8 не подключен ни к одной схеме внутри операционного усилителя LM741. Это просто вывод, используемый для заполнения пустого пространства в стандартных 8-выводных корпусах.

Рабочие и внутренние схемы операционного усилителя IC 741

Стандартный операционный усилитель IC 741 построен на схеме, содержащей 20 транзисторов и 11 резисторов. Все эти транзисторы и резисторы интегрированы в одну монолитную микросхему. Внутренние соединения этих компонентов показаны на рисунке ниже.

Здесь инвертирующие и неинвертирующие клеммы подключены к транзисторам Q1 и Q2 соответственно. Оба транзистора Q1 и Q2 функционируют как NPN-эмиттеры. Выход транзисторов Q1 и Q2 подключен к паре транзисторов Q3 и Q4. Этот тип конфигурации изолирует оба входа транзисторов Q3 и Q4 и предотвращает возможную обратную связь, которая может иметь место.

Колебание напряжения на входе операционного усилителя может повлиять на ток во внутренней цепи, а также на эффективный функциональный диапазон транзистора в цепи. Чтобы этого не произошло, используются два токовых зеркала. Пара транзисторов (Q8, Q9) и (Q12, Q13) соединены таким образом, чтобы сформировать две зеркальные схемы.

Транзисторы Q8 и Q12 используются как регулирующие транзисторы, которые устанавливают уровень напряжения на переходе эмиттер-база (EB) для соответствующей пары транзисторов. Этот уровень напряжения может регулироваться с точностью до нескольких десятых долей милливольт, чтобы обеспечить требуемую величину тока.

Первая зеркальная схема, основанная на Q8 и Q9, связана с входной цепью, а вторая зеркальная схема, основанная на Q12 и Q13, связана с выходной цепью. Кроме того, третья зеркальная схема, разработанная Q10 и Q11, функционирует как высокоомное соединение между входом и отрицательным питанием. Она обеспечивает опорное напряжение, не оказывая никакого нагрузочного эффекта на входную цепь.

Транзистор Q16 вместе с резисторами 4,5 кОм и 7,5 кОм образуют схему сдвига уровня напряжения, которая уменьшает уровень напряжения от схемы усилителя на входной секции на Vin перед тем, как он поступит на следующую схему. Это делается для предотвращения искажения сигнала на выходной секции усилителя.

Транзисторы Q15, Q19 и Q22 предназначены для работы в качестве усилителя класса А, а транзисторы Q14, Q17 и Q20 образуют выходной каскад операционного усилителя IC 741.

Для того чтобы сбалансировать любые неровности на входной фазе дифференциальной схемы, транзисторы Q5, Q6 и Q7 должны сформировать конфигурацию, которая имеет смещение нуля +ve и –ve и сбалансирует как инвертирующий, так и неинвертирующий входы соответственно.

Режимы работы операционного усилителя LM741

Конфигурация открытого цикла

Самый простой подход к реализации операционного усилителя LM741 — это работа в конфигурации с разомкнутым контуром. Конфигурация с разомкнутым контуром имеет инвертирующий и неинвертирующий режимы.

Инвертирующий операционный усилитель

В инвертирующем операционном усилителе LM741 контакты 2 и 6 используются как входные и выходные контакты. Входное напряжение подается через контакт 2, а выходное напряжение берется с контакта 6, что приводит к обратной полярности. Когда входное напряжение положительное, выходное напряжение будет отрицательным, а когда входное напряжение отрицательное, выходное напряжение будет положительным. Поэтому усилитель называется инвертирующим усилителем.

Принципиальная схема и форма входного/выходного сигнала для инвертирующего операционного усилителя показаны на рисунке ниже.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется по формуле:

Коэффициент усиления (Av) = -(R2/R1) ; где R2 — резистор обратной связиДля расчета коэффициента усиления операционного усилителя можно использовать соответствующие калькуляторы, доступные в сети.

Здесь знак «минус» указывает на то, что полярность выходного напряжения обратная. Регулируя значение R1 и R2, можно добиться желаемого усиления.

Неинвертирующий операционный усилитель

В неинвертирующем операционном усилителе LM741 контакты 3 и 6 используются как входные и выходные контакты. Входное напряжение подается через контакт 3, а выходное напряжение берется с контакта 6, сохраняя ту же полярность, что и у входного напряжения. Когда входное напряжение положительное, выходное напряжение будет положительным, а когда входное напряжение отрицательное, выходное напряжение также будет отрицательным. Поэтому усилитель называется неинвертирующим усилителем.

Принципиальная схема и форма входного/выходного сигнала для неинвертирующего операционного усилителя показаны на рисунке ниже.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется по формуле

Коэффициент усиления (Av) = 1 + (R2/R1) ; где R2 — резистор обратной связиРегулируя значение R1 и R2, можно добиться желаемого усиления. Когда резистор обратной связи R2 равен нулю, усиление равно единице, и операционный усилитель ведет себя как повторитель напряжения или буфер единичного усиления.

Применение операционного усилителя LM741

Существует множество электронных схем, разработанных с использованием операционного усилителя LM741. К наиболее часто используемым применениям операционного усилителя LM741 можно отнести следующие:

• Он используется в различных усилителях, таких как логарифмические и антилогарифмические усилители, дифференциальные усилители и т. д., для усиления сигналов различных частот в диапазоне от постоянного тока до более высоких радиочастот.
• Он используется для вычисления различных математических операций, таких как сложение, вычитание, деление, умножение, дифференцирование, интегрирование и т. д.
• Используется в компараторах напряжения для сравнения сигналов напряжения.
• Он используется в генераторах для генерации различных форм сигналов, таких как синусоидальные, квадратные, треугольные и т. д. Он также используется в широтно-импульсных модуляторах (генераторах ШИМ).
• Используется в регулируемом электроснабжении.
• Используется в активных фильтрах.
• Он используется в АЦП и ЦАП для создания преобразователей, преобразующих аналоговые сигналы в двоичные формы и двоичные формы в аналоговые сигналы.
• Он используется для преобразования тока в напряжение и напряжения в ток.

15 просмотров