運(yùn)算放大器LM741內(nèi)部電路詳解+工作原理+功能參數(shù)

第第頁(yè)運(yùn)算放大器LM741內(nèi)部電路詳解+工作原理+功能參數(shù)今天是LM741（運(yùn)算放大器）（芯片），主要是以下幾個(gè)方面：

1、LM741是什么芯片?

2、LM741引腳及功能

3、LM741（工作原理）

4、LM741內(nèi)部電路講解

5、LM741特征和規(guī)格

6、LM741可以用什么代替?

7、LM741電路講解

一、LM741是什么芯片?

LM741運(yùn)算（放大器）是一種直流（耦合）高增益（電子）電壓放大器，是最常用的運(yùn)算放大器（集成電路）之一，可以同時(shí)執(zhí)行數(shù)字運(yùn)算和放大功能。

LM741運(yùn)算放大器的主要功能是在各種電路中進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。運(yùn)算放大器具有較大的增益，通常用作電壓放大器。LM741可以在單（電源）或雙電源電壓下工作。

輸出電壓=增益*輸入電壓

LM741運(yùn)算放大器電路符號(hào)圖

LM741電路采用內(nèi)部補(bǔ)償，電路比較簡(jiǎn)單，不易自激。其運(yùn)行穩(wěn)定、簡(jiǎn)便，并設(shè)計(jì)了完善的（保護(hù)電路），不易損壞。

由于其高質(zhì)量和可靠的性能，運(yùn)算放大器LM741非常適用于（比較器）、多諧（振蕩器）、直流放大器、求和放大器、積分器或微分器以及有源（濾波器）。

LM741芯片引腳圖

二、LM741引腳及功能

1、LM741芯片引腳圖

LM741芯片引腳圖如下所示：

LM741芯片引腳圖

2、LM741引腳及功能

LM741由8個(gè)引腳組成。兩個(gè)引腳用于電源，例如Vcc-和Vcc+。名稱中的數(shù)字741表示有7個(gè)活動(dòng)引腳，4個(gè)引腳(引腳2、3、4、7)能夠接受輸入，1個(gè)引腳(引腳6)是輸出引腳。IC中的三角形代表運(yùn)算放大器集成電路。每個(gè)引腳的功能如下：

1)電源引腳(引腳4和引腳7)：

引腳4和引腳7分別是負(fù)電壓和正電壓電源端子。IC運(yùn)行所需的電源來(lái)自這兩個(gè)引腳，這些引腳之間的電壓電平可以在5V到18V的范圍內(nèi)。

2)輸入引腳(引腳2和引腳3)：

引腳2和引腳3是運(yùn)算放大器IC的輸入引腳。引腳2為反相輸入，引腳3為同相輸入。當(dāng)2腳電壓大于3腳電壓時(shí)，即反相輸入端電壓較高，則輸出（信號(hào)）為低電平。類(lèi)似地，當(dāng)管腳3的電壓大于管腳2的電壓時(shí)，即同相輸入端的電壓較高，則輸出信號(hào)為高電平。

3)輸出引腳(引腳6)：

引腳6是運(yùn)算放大器IC741的輸出引腳。此引腳的輸出電壓取決于輸入引腳上的電壓電平和使用的反饋方法。當(dāng)此引腳電壓為高時(shí)，這意味著輸出電壓與正電源電壓相似。同樣，當(dāng)該引腳電壓為低電平時(shí)，表示輸出電壓與負(fù)輸出電壓相近。

4)偏移空引腳(引腳1和引腳5)：

引腳1和引腳5用于運(yùn)算放大器IC741中的偏移電壓。由于運(yùn)算放大器IC741的電壓增益較高，即使是由于構(gòu)造過(guò)程或異常引起的反相和非反相輸入電壓的最小變化或其他外部干擾會(huì)影響輸出電壓。為了克服這種影響，可以在引腳1和引腳5上施加電壓偏移值，這通常通過(guò)使用電位器來(lái)完成。

5)未連接引腳(引腳8)：

引腳8未連接到運(yùn)算放大器IC741內(nèi)部的任何電路。它只是用于填充8引腳標(biāo)準(zhǔn)封裝中的空隙空間的引腳。

LM741引腳及功能圖

三、LM741內(nèi)部電路講解

標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器IC741由包含20個(gè)（晶體管）和11個(gè)電阻的電路構(gòu)成。所有這些晶體管和（電阻器）都集成在一個(gè)單片芯片中。這些組件的內(nèi)部連接如下圖所示。

LM741內(nèi)部電路講解

這里，反相和非反相端子分別連接到晶體管Q1和Q2。晶體管Q1和Q2都用作NPN發(fā)射極。晶體管Q1和Q2的輸出連接到一對(duì)Q3和Q4晶體管。這種類(lèi)型的配置隔離晶體管Q3和Q4的兩個(gè)輸入，并防止可能發(fā)生的反饋。

運(yùn)算放大器輸入端的電壓波動(dòng)會(huì)影響內(nèi)部電路中的（電流）流動(dòng)，也會(huì)影響電路中晶體管的有效功能范圍。為了防止這種情況發(fā)生，使用了兩個(gè)電流鏡。晶體管對(duì)(Q8，Q9)和(Q12，Q13)以某種方式連接以形成兩個(gè)鏡像電路。

晶體管Q8和Q12用作調(diào)節(jié)晶體管，它們?yōu)橄鄳?yīng)的晶體管對(duì)設(shè)置發(fā)射極-基極(EB)結(jié)的電壓電平。這個(gè)電壓電平可以精確地調(diào)節(jié)到幾毫伏，以允許所需的電流量。

Q8和Q9開(kāi)發(fā)的第一鏡像電路耦合到輸入電路，Q12和Q13開(kāi)發(fā)的第二鏡像電路耦合到輸出電路。此外，由Q10和Q11開(kāi)發(fā)的第三個(gè)鏡像電路用作輸入和負(fù)電源之間的高阻抗連接。它提供的參考電壓對(duì)輸入電路沒(méi)有負(fù)載影響。

晶體管Q16與電阻4.5KΩ和7.5KΩ一起形成一個(gè)電壓電平轉(zhuǎn)換器電路，該電路將輸入部分放大器電路的電壓電平降低Vin，然后再傳遞到下一個(gè)電路。這樣做是為了防止輸出放大器部分的信號(hào)失真。

晶體管Q15、Q19和Q22被設(shè)計(jì)用作A類(lèi)放大器，晶體管Q14、Q17和Q20形成運(yùn)算放大器IC741的輸出級(jí)。

為了平衡差分電路輸入相位的任何不規(guī)則性，晶體管Q5、Q6和Q7將形成一個(gè)具有Offsetnull+ve和-ve的配置，并相應(yīng)地平衡反相和非反相輸入。

四、LM741工作原理

1、LM741工作原理

LM741使用時(shí)，需要在7腳和4腳上提供一對(duì)大小相同的正負(fù)電源電壓+V（dc）和-Vdc。一旦2腳和3腳之間出現(xiàn)電壓差，也就是在兩個(gè)輸入端之間，電壓差會(huì)在輸出端被放大。

運(yùn)算放大器具有輸出電壓值永遠(yuǎn)不會(huì)大于正電源電壓+Vdc或小于負(fù)電源電壓-Vdc的特性。如果輸入電壓差大于外部電源電壓+Vdc至-Vdc的范圍，其值將等于+Vdc或-Vdc。

所以一般運(yùn)算放大器的輸出電壓具有如圖所示的特性曲線如下圖，輸出電壓達(dá)到+Vdc和-Vdc后會(huì)飽和。

放大器I/O電壓圖

LM741的基本操作如下圖所示。如果在同相輸入端輸入電壓，則在輸出端會(huì)得到同極性的放大輸出;如果在反相輸入端輸入相同的電壓信號(hào)，則在輸出端會(huì)得到放大倍數(shù)相同但極性相反的信號(hào)輸出。

當(dāng)同時(shí)向放大器的兩個(gè)輸入端輸入電壓時(shí)，從同相輸入端的電壓值(V1)中減去反相輸入端的電壓值(V2)，即可得到輸出乘以輸出端(V1-V2)的比率。

同相放大器

2、電源

電源本身有兩組外接插孔，提供兩組電源輸出。如下圖，當(dāng)需要正負(fù)輸出電壓時(shí)，可以使用電源上的電壓調(diào)節(jié)按鈕。例如，要產(chǎn)生±15Vdc電壓，則需要先將兩組電源輸出中的其中一組電源輸出正極接到另一組電源輸出負(fù)極，其余兩個(gè)未連接的輸出端子為電源輸出端子，然后打開(kāi)電源并按下儀表板上的跟蹤按鈕，然后使用面板上的調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)所需的±15Vdc電壓。

在調(diào)整過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，雖然只轉(zhuǎn)動(dòng)了一組功率輸出調(diào)節(jié)旋鈕，兩組電壓輸出值同時(shí)變化，顯示數(shù)字相同，但一端為正，另一端為負(fù)。一端為負(fù)極，同樣是15Vdc的輸出。原理類(lèi)似于串聯(lián)兩塊電池的情況。

電壓調(diào)節(jié)

但是，如果要將放大電路和傳感元件集成到測(cè)試設(shè)備中，則電源不能用來(lái)為運(yùn)算放大器提供電源，需要自制一個(gè)±15Vdc的供電電路。

制作方法是用橋式整流器和帶有適當(dāng)規(guī)格（電容器）的穩(wěn)壓IC組成整流電路，將常用的110伏電源轉(zhuǎn)換成±15Vdc電源。電路圖如下，110V電源經(jīng)過(guò)橋式整流后，用三端穩(wěn)壓IC7815和7915將電壓值調(diào)整到±15Vdc，其中7815為正穩(wěn)壓將電壓穩(wěn)定到+15Vdc，7915用于負(fù)電壓調(diào)整。

整流電路

五、LM741參數(shù)

1、LM741運(yùn)算放大器（電氣）特性

LM741運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)之一是過(guò)載保護(hù)。最重要的是，它支持反相和同相引腳的過(guò)載保護(hù)。與其他運(yùn)算放大器不同，它具有以下特點(diǎn)：

無(wú)閂鎖電路要求

免于振蕩

提供PDIP、CDIP和TO99封裝

2、LM741運(yùn)算放大器參數(shù)

輸入阻抗大于100KΩ。

輸出阻抗小于100Ω。

頻率范圍在0HZ到1MZ之間。

低失調(diào)電壓和電流。

電壓增益約為2,00,000。

電源：為了正常工作，它需要至少5V的電源，并且可以處理高達(dá)18V的電壓。

輸入阻抗：約2MΩ。

輸出阻抗：約75Ω。

電壓增益：最小頻率范圍為2,00,000。

轉(zhuǎn)換速率(運(yùn)算放大器可以（檢測(cè)）電壓變化的速率)：0.5V/μs。

輸入偏移：在2mV-6mV范圍內(nèi)。

輸出負(fù)載：（推薦）大于2KΩ。

最大輸出電流：20mA。

注意：為了使運(yùn)算放大器用作電壓放大器，建議使用高輸入阻抗和低輸出阻抗值。這種阻抗使運(yùn)算放大器IC741成為近乎理想的電壓放大器。上述規(guī)格是通用的，可能會(huì)因制造商而異。

六、LM741可以用什么代替?

替換/等效/其他零件編號(hào)：

MC1439、LM748、LM709C、LM201

TLC271、CA3140E、TL081CN、TLO61CP、TL071CP、LF351N

LM741A、LM741C、LM709C、LM201、MC1439和LM748

七、LM741電路講解

1、同相運(yùn)算放大器

在同相運(yùn)算放大器IC741中，引腳3和引腳6用作輸入和輸出引腳。輸入電壓通過(guò)引腳3提供，輸出來(lái)自引腳6，保持與輸入電壓相同的極性。當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，輸出為正，當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí)，輸出也為負(fù)。因此，該放大器被命名為非反相放大器(同相放大器)。

運(yùn)算放大器的電路圖和輸入輸出波形如下圖所示。

同相運(yùn)算放大器

同相放大器的增益由下式給出：

增益(Av)=1+(R2/R1)

其中，R2是反饋電阻

通過(guò)調(diào)整R1和R2的值，可以實(shí)現(xiàn)所需的放大。當(dāng)反饋電阻R2為零時(shí)，增益為1，運(yùn)算放大器充當(dāng)電壓跟隨器或單位增益緩沖器。

2、反相運(yùn)算放大器

在反相運(yùn)算放大器IC741中，引腳2和引腳6用作輸入和輸出引腳。輸入電壓通過(guò)引腳2提供，輸出從引腳6獲取，從而導(dǎo)致極性反轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，輸出為負(fù)，當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí)，輸出為正，因此該放大器被稱為反相放大器。

運(yùn)算放大器反相的電路圖和輸入輸出波形如下圖所示。

運(yùn)算放大器反相的電路圖和輸入輸出波形

反相放大器的增益由以下公式給出：

增益(Av)=-(R2/R1)

其中，R2是反饋電阻

這里，負(fù)號(hào)表示輸出電壓的極性反轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)整R1和R2的值，可以實(shí)現(xiàn)所需的放大。

3、單位增益放大器示例

運(yùn)算放大器的用途之一是單位增益放大器或緩沖放大器。單位增益放大器可以作為

跟隨器

逆變器

跟隨器提供1的增益，輸出與輸入完全相同。另一方面，除了提供單位增益外，反相器還反轉(zhuǎn)輸入的極性。運(yùn)算放大器的輸出電阻可以忽略不計(jì)。因此，該電路根據(jù)負(fù)載的要求提供盡可能多的電流。

該圖顯示了同相單位增益放大器的電路。在這種情況下，輸入將等于輸出。

同相單位增益放大器的電路

在這個(gè)電路中，我們給出6V的輸入電壓。之后，我們連接一個(gè)反饋電阻。我們得到的輸出電壓正好是6V。因?yàn)榉糯笃鞯脑鲆媸墙y(tǒng)一的。結(jié)果，（示波器）上的輸出顯示為6V。根據(jù)這個(gè)等式：

Vout=Vinx增益Vout=6x1=6V//因?yàn)樵鲆?1和Vin=6V

單位增益放大器波形圖

4、LM741方波發(fā)生器示例

該方波發(fā)生器將交流正弦波轉(zhuǎn)換為方波。但我們也可以稱其為過(guò)零檢測(cè)電路。簡(jiǎn)而言之，它的主要功能是從正弦波產(chǎn)生方波。

LM741方波發(fā)生器

在本例中，LM741用作比較器，它比較零電壓參考和正弦波的電壓幅度。每當(dāng)正弦波通過(guò)零電壓電平時(shí)，我們將在輸出端獲得方波。比較器產(chǎn)生+15和-15伏輸出。但是我們使用邊緣檢測(cè)電路，該邊緣檢測(cè)電路將運(yùn)算放大器的輸出轉(zhuǎn)換為方波。

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