运算放大器LM741内部电路详解+工作原理+功能参数

今天是 LM741运算放大器芯片 ，主要是以下几个方面：

1、LM741 是什么芯片?

2、LM741 引脚及功能

3、LM741 工作原理

4、LM741 内部电路讲解

5、LM741 特征和规格

6、LM741 可以用什么代替?

7、LM741 电路讲解

一、LM741 是什么芯片?

LM741 运算放大器是一种直流耦合高增益电子电压放大器， 是最常用的运算放大器集成电路之一，可以同时执行数字运算和放大功能。

LM741 运算放大器的主要功能是在各种电路中进行数学运算。运算放大器具有较大的增益，通常用作电压放大器。LM741 可以在单电源或双电源电压下工作。

输出电压 = 增益 * 输入电压

LM741 运算放大器电路符号图

LM741电路采用内部补偿，电路比较简单，不易自激。其运行稳定、简便，并设计了完善的保护电路，不易损坏。

由于其高质量和可靠的性能，运算放大器 LM741 非常适用于比较器、多谐振荡器、直流放大器、求和放大器、积分器或微分器以及有源滤波器。

LM741 芯片引脚图

二、LM741 引脚及功能

1、LM741 芯片引脚图

LM741 芯片引脚图如下所示：

LM741 芯片引脚图

2、LM741 引脚及功能

LM741 由 8 个引脚组成。两个引脚用于电源，例如 Vcc- 和 Vcc+。名称中的数字 741 表示有 7 个活动引脚，4 个引脚(引脚 2、3、4、7)能够接受输入，1 个引脚(引脚 6)是输出引脚。IC中的三角形代表运算放大器集成电路。每个引脚的功能如下：

1)电源引脚(引脚 4 和引脚 7)：

引脚 4 和引脚 7 分别是负电压和正电压电源端子。IC 运行所需的电源来自这两个引脚，这些引脚之间的电压电平可以在 5V 到 18V 的范围内。

2)输入引脚(引脚 2 和引脚 3)：

引脚 2 和引脚 3 是运算放大器 IC 的输入引脚。引脚 2 为反相输入，引脚 3 为同相输入。当2脚电压大于3脚电压时，即反相输入端电压较高，则输出信号为低电平。类似地，当管脚3的电压大于管脚2的电压时，即同相输入端的电压较高，则输出信号为高电平。

3)输出引脚(引脚 6)：

引脚 6 是运算放大器 IC 741 的输出引脚。此引脚的输出电压取决于输入引脚上的电压电平和使用的反馈方法。当此引脚电压为高时，这意味着输出电压与正电源电压相似。同样，当该引脚电压为低电平时，表示输出电压与负输出电压相近。

4)偏移空引脚(引脚 1 和引脚 5)：

引脚 1 和引脚 5 用于运算放大器 IC 741 中的偏移电压。由于运算放大器 IC 741 的电压增益较高，即使是由于构造过程或异常引起的反相和非反相输入电压的最小变化或其他外部干扰会影响输出电压。为了克服这种影响，可以在引脚 1 和引脚 5 上施加电压偏移值，这通常通过使用电位器来完成。

5)未连接引脚(引脚 8)：

引脚 8 未连接到运算放大器 IC 741 内部的任何电路。它只是用于填充 8 引脚标准封装中的空隙空间的引脚。

LM741 引脚及功能图

三、LM741 内部电路讲解

标准运算放大器 IC 741 由包含 20 个晶体管和 11 个电阻的电路构成。所有这些晶体管和电阻器都集成在一个单片芯片中。这些组件的内部连接如下图所示。

LM741 内部电路讲解

这里，反相和非反相端子分别连接到晶体管 Q1 和 Q2。晶体管 Q1 和 Q2 都用作 NPN 发射极。晶体管 Q1 和 Q2 的输出连接到一对 Q3 和 Q4 晶体管。这种类型的配置隔离晶体管 Q3 和 Q4 的两个输入，并防止可能发生的反馈。

运算放大器输入端的电压波动会影响内部电路中的电流流动，也会影响电路中晶体管的有效功能范围。为了防止这种情况发生，使用了两个电流镜。晶体管对(Q8，Q9)和(Q12，Q13)以某种方式连接以形成两个镜像电路。

晶体管 Q8 和 Q12 用作调节晶体管，它们为相应的晶体管对设置发射极 - 基极 (EB) 结的电压电平。这个电压电平可以精确地调节到几毫伏，以允许所需的电流量。

Q8和Q9开发的第一镜像电路耦合到输入电路，Q12和Q13开发的第二镜像电路耦合到输出电路。此外，由 Q10 和 Q11 开发的第三个镜像电路用作输入和负电源之间的高阻抗连接。它提供的参考电压对输入电路没有负载影响。

晶体管 Q16 与电阻 4.5KΩ 和 7.5KΩ 一起形成一个电压电平转换器电路，该电路将输入部分放大器电路的电压电平降低 Vin，然后再传递到下一个电路。这样做是为了防止输出放大器部分的信号失真。

晶体管 Q15、Q19 和 Q22 被设计用作 A 类放大器，晶体管 Q14、Q17 和 Q20 形成运算放大器 IC 741 的输出级。

为了平衡差分电路输入相位的任何不规则性，晶体管 Q5、Q6 和 Q7 将形成一个具有 Offset null +ve 和 -ve 的配置，并相应地平衡反相和非反相输入。

四、LM741 工作原理

1、LM741 工作原理

LM741使用时，需要在7脚和4脚上提供一对大小相同的正负电源电压+Vdc和-Vdc。一旦2脚和3脚之间出现电压差，也就是在两个输入端之间，电压差会在输出端被放大。

运算放大器具有输出电压值永远不会大于正电源电压+Vdc或小于负电源电压-Vdc的特性。如果输入电压差大于外部电源电压+Vdc至-Vdc的范围，其值将等于+Vdc或-Vdc。

所以一般运算放大器的输出电压具有如图所示的特性曲线如下图，输出电压达到+Vdc和-Vdc 后会饱和。

放大器 I/O 电压图

LM741的基本操作如下图所示。如果在同相输入端输入电压，则在输出端会得到同极性的放大输出;如果在反相输入端输入相同的电压信号，则在输出端会得到放大倍数相同但极性相反的信号输出。

当同时向放大器的两个输入端输入电压时，从同相输入端的电压值(V1)中减去反相输入端的电压值(V2)，即可得到输出乘以输出端 (V1-V2) 的比率。

同相放大器

2、电源

电源本身有两组外接插孔，提供两组电源输出。如下图，当需要正负输出电压时，可以使用电源上的电压调节按钮。例如，要产生±15Vdc电压，则需要先将两组电源输出中的其中一组电源输出正极接到另一组电源输出负极，其余两个未连接的输出端子为电源输出端子，然后打开电源并按下仪表板上的跟踪按钮，然后使用面板上的调节旋钮调节所需的±15Vdc电压。

在调整过程中可以发现，虽然只转动了一组功率输出调节旋钮，两组电压输出值同时变化，显示数字相同，但一端为正，另一端为负。一端为负极，同样是15Vdc的输出。原理类似于串联两块电池的情况。

电压调节

但是，如果要将放大电路和传感元件集成到测试设备中，则电源不能用来为运算放大器提供电源，需要自制一个±15Vdc的供电电路。

制作方法是用桥式整流器和带有适当规格电容器的稳压IC组成整流电路，将常用的110伏电源转换成±15Vdc电源。电路图如下，110 V 电源经过桥式整流后，用三端稳压IC7815和7915将电压值调整到±15Vdc，其中7815为正稳压将电压稳定到+15Vdc，7915用于负电压调整。

整流电路

五、LM741 参数

1、LM741 运算放大器电气特性

LM741 运算放大器的主要特点之一是过载保护。最重要的是，它支持反相和同相引脚的过载保护。与其他运算放大器不同，它具有以下特点：

无闩锁电路要求

免于振荡

提供 PDIP、CDIP 和 TO99 封装

2、LM741 运算放大器参数

输入阻抗大于100KΩ。

输出阻抗小于100Ω。

频率范围在 0HZ 到 1MZ 之间。

低失调电压和电流。

电压增益约为 2,00,000。

电源：为了正常工作，它需要至少 5V 的电源，并且可以处理高达 18V 的电压。

输入阻抗：约 2 MΩ。

输出阻抗：约 75 Ω。

电压增益：最小频率范围为 2,00,000。

转换速率(运算放大器可以检测电压变化的速率)：0.5V/µs。

输入偏移：在 2mV-6mV 范围内。

输出负载：推荐大于 2KΩ。

最大输出电流：20 mA。

注意： 为了使运算放大器用作电压放大器，建议使用高输入阻抗和低输出阻抗值。这种阻抗使运算放大器 IC 741 成为近乎理想的电压放大器。上述规格是通用的，可能会因制造商而异。

六、LM741 可以用什么代替?

替换/等效/其他零件编号：

MC1439、LM748、LM709C、LM201

TLC271、CA3140E、TL081CN、TLO61CP、TL071CP、LF351N

LM741A、LM741C、LM709C 、 LM201 、 MC1439和LM748

七、LM741 电路讲解

1、同相运算放大器

在同相运算放大器 IC 741 中，引脚 3 和引脚 6 用作输入和输出引脚。输入电压通过引脚 3 提供，输出来自引脚 6，保持与输入电压相同的极性。当输入电压为正时，输出为正，当输入电压为负时，输出也为负。因此，该放大器被命名为非反相放大器(同相放大器)。

运算放大器的电路图和输入输出波形如下图所示。

同相运算放大器

同相放大器的增益由下式给出：

增益 (Av) = 1 + (R2/R1)

其中，R2 是反馈电阻

通过调整 R1 和 R2 的值，可以实现所需的放大。当反馈电阻 R2 为零时，增益为 1，运算放大器充当电压跟随器或单位增益缓冲器。

2、反相运算放大器

在反相运算放大器 IC 741 中，引脚 2 和引脚 6 用作输入和输出引脚。输入电压通过引脚 2 提供，输出从引脚 6 获取，从而导致极性反转。当输入电压为正时，输出为负，当输入电压为负时，输出为正，因此该放大器被称为反相放大器。

运算放大器反相的电路图和输入输出波形如下图所示。

运算放大器反相的电路图和输入输出波形

反相放大器的增益由以下公式给出：

增益 (Av) = -(R2/R1)

其中，R2 是反馈电阻

这里，负号表示输出电压的极性反转。通过调整 R1 和 R2 的值，可以实现所需的放大。

3、单位增益放大器示例

运算放大器的用途之一是单位增益放大器或缓冲放大器。单位增益放大器可以作为

跟随器

逆变器

跟随器提供 1 的增益，输出与输入完全相同。另一方面，除了提供单位增益外，反相器还反转输入的极性。运算放大器的输出电阻可以忽略不计。因此，该电路根据负载的要求提供尽可能多的电流。

该图显示了同相单位增益放大器的电路。在这种情况下，输入将等于输出。

同相单位增益放大器的电路

在这个电路中，我们给出 6 V 的输入电压。之后，我们连接一个反馈电阻。我们得到的输出电压正好是 6 V 。因为放大器的增益是统一的。结果，示波器上的输出显示为 6 V。根据这个等式：

Vout = Vin x 增益Vout = 6 x 1 = 6 V//因为增益=1 和 Vin=6 V

单位增益放大器波形图

4、LM741 方波发生器示例

该方波发生器将交流正弦波转换为方波。但我们也可以称其为过零检测电路。简而言之，它的主要功能是从正弦波产生方波。

LM741 方波发生器

在本例中，LM741 用作比较器，它比较零电压参考和正弦波的电压幅度。每当正弦波通过零电压电平时，我们将在输出端获得方波。比较器产生 +15 和 -15 伏输出。但是我们使用边缘检测电路，该边缘检测电路将运算放大器的输出转换为方波。

LM741 方波发生器波形

5、光传感器电路

下图所示的这种光传感器电路在电路中使用 LM741 IC 作为多谐振荡器。120K可变电阻用于调节LED的灵敏度或激活点。

该电路使用 LDR 传感器来感应光。当 LDR 上的光照水平达到 120K 可变电阻器设置的预设水平时，LED 将被激活。工作电压为 9V DC。

光传感器电路

6、暗传感器电路

与上述电路一样，LM741 也用于该暗传感器电路中，处于非稳态多谐振荡器模式，但这次，为了检测暗度，可变电阻器的中间引脚与 IC 的引脚三/非反相输入连接。

现在，当 LDR 表面的水平或黑暗达到电路中 120K 可变电阻设置的预设水平时，LED 将被激活。该电路的电源也是9V。

暗传感器电路

7、其他应用

LM741的实际应用有：

在我们的手机上进行广告转换

在音频放大器中

可编程逻辑控制器

视频信号调理单元

处理器

传感器数据指控

电话中的数模转换器

温度传感器和控制器

误差放大器

通讯电路

手机充电器

接收器

调制器

合成器

本文来源采芯网，作者：小七

　　审核编辑：汤梓红