LM741

LM741 — это интегральная микросхема операционного усилителя (ОУ) общего назначения, разработанная компанией Fairchild Semiconductor в 1968 году. Является одной из наиболее распространённых и долгоживущих моделей операционных усилителей, ставшей стандартом де-факто для множества аналоговых схем. Относится к классу биполярных операционных усилителей с внутренней частотной коррекцией.

История

Операционный усилитель LM741 был разработан инженером Дейвом Фуллагером (Dave Fullagar) в компании Fairchild Semiconductor. Предшественником LM741 был более ранний ОУ — Fairchild µA709, который имел ряд недостатков: склонность к самовозбуждению, необходимость внешней частотной коррекции и низкую защищённость от короткого замыкания. Фуллагеру удалось решить эти проблемы, встроив в микросхему конденсатор частотной коррекции ёмкостью 30 пФ, что устранило необходимость во внешних корректирующих цепях. Также была добавлена защита от короткого замыкания на выходе и расширен диапазон синфазного входного напряжения.

Первый образец LM741 был выпущен в 1968 году. Микросхема быстро завоевала популярность благодаря простоте использования, надёжности и низкой стоимости. В 1970-х годах, после истечения срока действия патентов, LM741 начали производить многие компании по всему миру, включая Texas Instruments, National Semiconductor (ныне часть Texas Instruments), STMicroelectronics, Philips и советские заводы (аналог — К140УД7, К140УД8). В СССР и России микросхема К140УД7 стала одним из самых массовых операционных усилителей.

Конструкция и характеристики

LM741 представляет собой монолитную интегральную микросхему, выполненную по биполярной технологии. Корпус обычно — DIP-8 (Dual In-line Package, 8 выводов) или TO-5 (металлический цилиндрический корпус). Восьмивыводной корпус DIP является наиболее распространённым.

Основные электрические характеристики (типовые значения при напряжении питания ±15 В)

Расположение выводов (DIP-8)

1. 1 — Балансировка (Offset Null) — для компенсации входного напряжения смещения.
2. 2 — Инвертирующий вход (Inverting Input, −).
3. 3 — Неинвертирующий вход (Non-inverting Input, +).
4. 4 — Отрицательное напряжение питания (−V).
5. 5 — Балансировка (Offset Null) — второй вывод для балансировки.
6. 6 — Выход (Output).
7. 7 — Положительное напряжение питания (+V).
8. 8 — Не используется (NC) или вывод для подключения внешнего конденсатора (в некоторых модификациях).

Особенности схемотехники

LM741 построен на трёхкаскадной схеме: дифференциальный входной каскад на биполярных транзисторах, промежуточный каскад с активной нагрузкой и выходной двухтактный эмиттерный повторитель. Внутренняя частотная коррекция осуществляется конденсатором Миллера, включённым между промежуточным и выходным каскадами. Это обеспечивает устойчивую работу при любом коэффициенте усиления, но ограничивает полосу пропускания.

Применение

LM741 является универсальным операционным усилителем, пригодным для широкого круга задач, где не требуется высокое быстродействие или прецизионная точность. Основные области применения:

• Линейные схемы: инвертирующие и неинвертирующие усилители, повторители напряжения, сумматоры, интеграторы, дифференциаторы.
• Активные фильтры: фильтры нижних и верхних частот, полосовые и режекторные фильтры.
• Генераторы сигналов: генераторы синусоидальных, прямоугольных и пилообразных колебаний (например, мультивибраторы).
• Компараторы (с ограничениями — LM741 не предназначен для работы в режиме насыщения, но часто используется в простых схемах).
• Прецизионные выпрямители (с дополнительными диодами).
• Источники опорного напряжения (в составе стабилизаторов).
• Усилители звуковой частоты (в недорогой аудиотехнике, хотя по современным меркам имеет высокий уровень шума и искажений).

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Простота использования: не требует внешних цепей коррекции.
• Надёжность: встроенная защита от короткого замыкания на выходе.
• Низкая стоимость и широкая доступность.
• Большой диапазон питающих напряжений.
• Хорошая помехоустойчивость по питанию.

Недостатки

• Низкое быстродействие: частота единичного усиления всего 1 МГц, скорость нарастания 0,5 В/мкс — непригоден для высокочастотных схем (например, видеоусилителей).
• Большое входное напряжение смещения (до 6 мВ) и его температурный дрейф — не подходит для прецизионных измерений.
• Высокий уровень шума (по сравнению с современными ОУ, например, NE5532 или OPA2134).
• Низкое входное сопротивление (2 МОм) — может нагружать источник сигнала.
• Не предназначен для работы в режиме компаратора (при насыщении выходного каскада может происходить затягивание выхода из насыщения, что снижает быстродействие).

Современные аналоги и заменители

Несмотря на устаревшую конструкцию, LM741 продолжает выпускаться и использоваться в учебных целях и простых устройствах. Однако для большинства современных применений предпочтительны более совершенные операционные усилители:

• TL081, TL071 — полевые (JFET) ОУ, высокое входное сопротивление, низкий шум.
• NE5532 — низкошумящий ОУ для аудиоприменений.
• LM358 — сдвоенный ОУ с низким энергопотреблением, работает от однополярного питания.
• OP07, OP27 — прецизионные ОУ с малым напряжением смещения и дрейфом.
• AD823 — rail-to-rail ОУ для работы с низкими напряжениями.

Интересные факты

• LM741 — один из немногих интегральных компонентов, выпускавшихся практически без изменений более 50 лет.
• В СССР и России выпускался полный аналог LM741 — микросхема К140УД7 (в металлическом корпусе TO-5) и К140УД8 (в пластиковом корпусе DIP-8). Эти микросхемы были широко распространены в радиолюбительской и промышленной аппаратуре.
• LM741 часто используется в учебных лабораториях для изучения основ операционных усилителей благодаря своей простоте и наглядности.
• В некоторых источниках указывается, что LM741 может работать при напряжении питания до ±22 В, однако производители обычно гарантируют работу до ±18 В.

Источники

• Fullagar, D. (1968). "A New High-Performance Operational Amplifier". Fairchild Semiconductor Application Note.
• Texas Instruments. "LM741 Operational Amplifier Datasheet" (SNOSC25B).
• National Semiconductor. "LM741 Operational Amplifier Datasheet" (1999).
• Хоровиц П., Хилл У. "Искусство схемотехники" (7-е издание, 2014).
• Гутников В. С. "Интегральная электроника в измерительных устройствах" (1988).