Den 741 Operationsverstärker verstehen: Ein umfassender Leitfaden

Der neue und verbesserte integrierte Operationsverstärker 741 erobert schnell das technologische Feld. Neben der Schaltungsflexibilität in analogen Schaltungen hat er einen langen Weg in seiner Anwendung in analogen Computern zurückgelegt. Mit mehreren Pins, insgesamt 8, führt der IC Op-Amp 741 seine Funktion effektiv aus, während er auf externe Rückkopplung zur Regulierung angewiesen ist. Was mehr ist, seine Anwendung in elektronischen Schaltungen und Geräten macht ihn geeignet und sicher.
Um mehr über die Bedeutung dieses Verstärkers, seinen Wirkmechanismus, Spezifikationen und Anwendungen zu erfahren, lesen Sie weiter.

1. Was ist der Operationsverstärker 741?

Im Allgemeinen ist ein Operationsverstärker, auch Op-Amp genannt, ein hochspannungsverstärkender (ca. 100 dB) Festkörper-integrierter Schaltkreis. Sein Design ist primär für die Ausführung analoger Berechnungen empfehlenswert. Das heißt, seine Rolle ist es, mathematische Operationen wie Integration, Subtraktion, Differentiation, Addition usw. durchzuführen.

Weiterhin können Sie ihn in Kombination mit externen Komponenten, beispielsweise Kondensatoren und Widerständen, um einen obligatorischen Rückkopplungsmechanismus zu erzeugen, als Verstärker verwenden. Auch könnten Sie ihn in einen Komparator oder Filter umwandeln.

Unzweifelhaft gibt es eine Vielzahl von Op-Amp ICs, die die wesentlichen Komponenten der analogen Schaltungstechnik ausmachen. Wir werden jedoch spezifisch auf den häufig verwendeten Op-Amp, den IC 741 Op Amp, eingehen.

Definition IC 741 Op Amp

Ein IC 741 Op-Amp umfasst den allgemeinen Op-Amp-Schaltkreis, jedoch mit dem herausragenden Merkmal eines monolithischen Chips im integrierten Schaltkreis.

Fairchild Semiconductors fertigte den ersten Op-Amp 741 im Jahr 1963. Seitdem ist 741 ein Indikator für diesen Operationsverstärker, wobei er einen Ausgangspin, vier eingangsnehmende Pins und sieben funktionale Pins hat.

Eigenschaften eines 741 Op-Amps

Der integrierte Operationsverstärker hat folgende Eigenschaften:

• Erstens eine Spannungsverstärkung von etwa 200.000.
• Dann ein Frequenzbereich der Verstärkersignalisierung von 0 Hz bis 1 MHz.
• Auch der Ausgang ist unter 100 Ohm.
• Eingangsimpedanz über 100 Kiloohm.
• Schließlich niedrige Offset-Spannung und Eingangsoffsetstrom.

2. Spezifikationen des IC 741 Op-Amps

Einige seiner grundlegenden Spezifikationen sind:

• Stromversorgung: Er kann eine Spannung von 5V handhaben, während das Maximum bis zu 18V gehen kann.
• Ausgangsimpedanz: Ungefähr 75 Ohm.
• Eingangsimpedanz: Ungefähr 300 kOhm bis 2 MOhm (Megaohm).
• Spannungsverstärkung: Kann 20.000 bis 200.000 bei niedrigen Frequenzen sein (20 oder 200 V/mV).
• Maximaler Ausgangsstrom: Etwa mA (Wert im Original unklar).
• Eingangsoffset-Bereich: Hat einen Bereich von 2 mV bis 6 mV.
• Anstiegsrate (Slew Rate): Konstant bei 0,5 V/µs (Mikrosekunde) – eine ideale Op-Amp-Rate, mit der er Spannungsänderungen leicht erkennen kann.
• Ausgangslast: Oft mehr als 2 kOhm (Kiloohm).
• Bandbreite: Bei 500 kHz bis 1,5 MHz.
• Betriebstemperatur: Von 0° bis 70°C.
• Einschwingverhalten: Es umfasst die Anstiegszeit und den Überschwingprozentsatz. Dann ist es umgekehrt proportional zur Einheitsgewinn-Bandbreite des Op-Amps.

Zusammenfassend garantieren solche Spezifikationen, insbesondere die hohe Verstärkung, der kleine Ausgang und die hohen Eingangsimpedanzen, den IC 741 fast als den geeignetsten Spannungsverstärker. Folglich wird es einfacher, ein Gleich- oder Wechselstromsignal an den Eingang zu legen, um einen höheren Pegel am Ausgang zu erhalten.

(idealer Op-Amp).

Die Spezifikationen können jedoch von Hersteller zu Hersteller variieren. Daher vor der Arbeit am Verstärker das Datenblatt zur Genauigkeit konsultieren.

3. Funktionsweise des IC 741 Op-Amps

Unten ist ein Schaltplan eines Standard-741-Op-Amps mit 20 Transistoren und 11 Widerständen, integriert in einen monolithischen Chip.

Funktionsprinzip

• Primär sind der nicht-invertierende und invertierende Eingang mit den NPN-Transistoren Q2 und Q1 verbunden. Diese beiden Transistoren bilden NPN-Emitterfolger und führen ihre Ausgänge zu den PNP-Transistoren Q3 und Q4. Das PNP-Paar fungiert als Common-Base-Verstärker und isoliert die Eingangsspannung, während es auch ein mögliches Auftreten von Signalrückkopplung verhindert.

https://en.wikipedia.org/wiki/Differential_amplifier#/media/File:Differential_amplifier_long-tailed_pair.svg

(ein Differenzverstärker mit NPN-Transistoren)

Dann gibt es die Anordnung der Transistorpaare Q13, Q14 und Q9, Q8, die zwei Stromspiegel-Schaltungen bilden. Der Hauptzweck der zwei Stromspiegel ist, eine Änderung des Stromflusses im internen Schaltkreis während Spannungsschwankungen eines Op-Amp-Eingangs zu verhindern. Zusätzlich verringert es die Chancen einer Übersteuerung, indem es den aktiven Betriebsbereich der Transistoren beibehält.

Drittens setzen die steuernden Transistoren Q12 und Q8 die Emitter-Basisspannung des anderen Transistors im passenden Paar.

Auch um nur einen benötigten Stromfluss zuzulassen, halten Sie die Spannung auf dem Niveau von Bruchteilen von Millivolt. Später wird der Eingangsschaltkreis mit den ersten Stromspiegeln Q9 und Q8 gekoppelt und dann der Ausgangsschaltkreis mit dem zweiten Stromspiegel, Q13 und Q12, verbunden.

Weiterhin bilden die Transistoren Q11 und Q10 den dritten Stromspiegel.

Die beiden, mit einer hochohmigen Verbindung, verbinden das Negative der Stromversorgung und den Eingangsschaltkreis. Es gibt eine Referenzspannung, ohne den Eingangsschaltkreis zu belasten. Auch führt es einen kleinen Basis-Eingangs-Vorspannungsstrom ein, eine Anforderung der PNP-Transistoren am Eingang des Common-Base-Verstärkerschaltkreises.

Widerstände 4,5 kOhm und 7,5 kOhm und der Transistor Q15 verhindern Signalverzerrungen an der Ausgangsverstärkerstufe, indem sie einen Pegelverschiebeschaltkreis bilden. Der Pegelverschiebeschaltkreis funktioniert, indem er die Spannung vom Eingangsschaltkreis um 1V absenkt, bevor er zum nachfolgenden Schaltkreis übergeht.

Wiederum können Sie die Transistoren Q20, Q17 und Q14 verwenden, um die 741 Op-Amp-Ausgangsstufe zu bilden. Dann werden die Transistoren Q22, Q19 und Q15 als Klasse-A-Verstärker arbeiten.

Zuletzt gleichen die Transistoren Q7, Q6 und Q5 alle Lücken im Eingangsdifferenzschaltkreis aus. Oft ermöglicht ihre Anordnung, zwei Eingänge aufzunehmen (einen positiven Offset-Null und einen negativen Offset-Null), um dann die nicht-invertierenden und invertierenden Eingänge auszugleichen.

Hinweis: Das 741 Op-Amp-Design hat keine konstante Verstärkung. Ihre Variation hängt von der Frequenz des Eingangssignals ab. Das heißt, mit steigender Frequenz des Eingangssignals nimmt die Verstärkung ab, und zwar bei Frequenzen von etwa 100.000 Hz.

4. 741 Op-Amp Pinbelegung

Op-Amp 741 – Pin 2 und Pin 3 (Eingang)

Dies sind die Eingangs-Pins, wobei Pin 3 der nicht-invertierende Eingang und Pin 2 der invertierende Eingang für den integrierten Schaltkreis ist. Die beiden Pins arbeiten gleichzeitig, da eine höhere Spannung an Pin 2 als an Pin 3 (höhere Spannung am invertierenden Eingang) das Ausgangssignal senkt. Andererseits bewirkt eine höhere Spannung an Pin 3 als an Pin 2 (höhere Spannung am nicht-invertierenden Eingang), dass das Ausgangssignal steigt.

Op-Amp 741 – Pin 4 und Pin 7 (Stromversorgung)

Der 741 IC bezieht seine Energie von diesen beiden Pins, Pin 4 und Pin 7, um seinen Betrieb auszuführen. Pin 4 fungiert als negative Versorgungsspannung, während Pin 7 die positive Versorgungsspannung ist. Zudem arbeiten die Spannungen an Pin 4 und Pin 7 zwischen 5V und 18V.

Op-Amp 741 – Pin 6 (Ausgang)

Pin 6 ist der Ausgangspin des IC 741. Seine Spannung hängt hauptsächlich vom verwendeten Rückkopplungsmechanismus und einem Eingangssignal an den Eingangs-Pins ab. Ein hohes Ausgangssignal deutet stets darauf hin, dass die Ausgangsspannung der positiven Versorgungsspannung ähnelt. Ebenso würde ein niedriges Ausgangssignal eine Ausgangsspannung anzeigen, die der negativen Stromversorgung entspricht.

Op-Amp 741 – Pin 1 und Pin 5 (Offset Null)

Wie in den Spezifikationen angegeben, bietet ein 741 Op-Amp eine hohe Verstärkung. Daher können Unregelmäßigkeiten während des Herstellungsprozesses oder externe Störungen aufgrund von Spannungsdifferenzen an den invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen auftreten. Folglich kann dies den Ausgang stören.

Und so ist der Zweck von Pin 1 und Pin 5, den Effekt durch Anlegen einer Eingangsoffsetspannung zu neutralisieren. Um die Anwendung zu erreichen, werden Sie ein Potentiometer verwenden.

Pin 8 (N/C)

Ein Pin 8 hat null Verbindungen zu irgendeiner Schaltung in der internen Verbindung eines 741 IC Op-Amps. Seine Rolle ist hauptsächlich, ein Dummy-Lead zu sein, der leere Plätze in einem standardmäßigen 8-Pin-Gehäuse füllt.

5. Arten von Op-Amps in Verwendung

Die beste Art, den IC 741 Op Amp zu verwenden, ist die Implementierung in der Offenloop-Konfiguration. Die Konfiguration liegt sowohl in nicht-invertierenden als auch invertierenden Eingängen vor.

Invertierender Verstärker

Wie wir gesehen hatten, sind Pin 6 und Pin 2 die Ausgabe- und Eingangs-Pins. Eine an Pin 2 angelegte Spannung gibt Ausgabe an Pin 6. Eine positive Polarität des Eingangs Pin 2 führt zu einer negativen Polarität am Ausgang Pin 6. Daher wird der Eingang immer dem Ausgang entgegengesetzt sein.

 https://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier_applications#/media/File:Op-Amp_Inverting_Amplifier.svg (invertierende Verstärkerkonfiguration).

Um den invertierenden Op-Amp-Schaltkreis zu berechnen, verwenden Sie die Formel:

A = -Rf/R1

Das negative Vorzeichen zeigt die Polarität der Ausgangswellenform an, die umgekehrt ist.

Nicht-invertierender Verstärker

Bei diesem Verstärker ist Pin 6 immer noch der Ausgangspin, während der Eingangs-Pin zu Pin 3 wechselt. Eine an Pin 3 gegebene Spannung führt zu einer Ausgabe von Pin 6. Eine positive Polarität am Pin 3 Eingang führt zu einer weiteren positiven Polarität am Ausgang Pin 6. Auf diese Weise ist die Ausgabe nicht auf der gegenüberliegenden Seite.

Um den nicht-invertierenden Op-Amp-Schaltkreis zu berechnen, verwenden Sie die Formel:

A = 1 + (Rf/R1)

Differenzverstärker

Wie der Name schon sagt, verstärkt ein Differenzverstärker die Spannungsdifferenz, die in nicht-invertierenden und invertierenden Eingängen vorhanden ist.

Für seine Berechnung verwenden Sie die Formel:

Vout = R3/R1 (V2 - V1)

https://en.wikipedia.org/wiki/Differential_amplifier#/media/File:Op-amp_symbol.svg

(Illustration der Formel)

6. Anwendung des Operationsverstärkers 741

Einige der breiten Anwendungsbereiche des IC 741 Op-Amps umfassen:

In Generatoren

Ein Op-Amp 741 ist hier als Oszillator in Standardgeneratoren anwendbar, um verschiedene Ausgangswellenformen zu erzeugen, z. B. Dreieck-, Sinus-, Rechteckwellen, um nur einige zu nennen. Zusätzlich finden Sie seine Anwendung in Pulsbreitenmodulatoren/PWM-Generatoren.

Erstellung von DACs oder ADCs

Sie können einen 741 Op-Amp verwenden, um analog-digitale Schaltungen oder umgekehrt zu erzeugen. Im Fall von Digital-Analog-Wandlern verwendet er digitale Binäreingänge in Mikrocontrollern oder Computern, um ein ähnliches analoges Signal zu erzeugen.

(Mikrocontroller-Chips)

Op-Amp 741 – In Gleichrichtern

Normale Dioden haben normalerweise Spannungsabfälle, was sie für hochpräzise Signalgleichrichter ungeeignet macht. Der 741 Op-Amp kann anstelle einer Diode fungieren, um den Spannungsabfall zu eliminieren.

Erreichen von Berechnungsaufgaben

Die meisten elektronischen Schaltungen, die mathematische Aufgaben wie Summation, Differentiation usw. ausführen, nutzen einen 741 Op-Amp.

Weitere zahlreiche Geräte, die einen Op-Verstärker 741 verwenden, sind:

Ein variabler Audiofrequenzoszillator.

(ein Audioverstärker mit IC Op-Amp 741).

• DC-Volt-Polaritätsmesser.
• Thermischer Berührungsschalter.
• E-Raum-Thermometer.
• Audio-Mischung für vier Kanäle.

Fazit

Zusammenfassend haben wir die Definition eines IC 741 Op Amps, seine Eigenschaften, Produktspezifikationen, Pinbelegung und Anwendungen behandelt. Sie bilden die Grundlagen eines Operationsverstärkers 741. Für weitere Details, Anfragen oder ein besseres Verständnis des Themas kontaktieren Sie uns. Wir stehen Ihnen jederzeit zur Verfügung.