Zobrazení zdroje stránky MAA741

[[Soubor:741_op-amp_in_TO-5_metal_can_package_close-up.jpg|náhled|120px|Operační zesilovač 741 v pouzdře [[TO-5]]]]
'''MAA741''' (jiné značení: uA741, &mu;A741) je univerzální [[Integrovaný obvod|integrovaný]] [[operační zesilovač]] (OZ) druhé generace tvořený [[Bipolární tranzistor|bipolárními tranzistory]]. Původní μA741 vytvořil v roce 1968 [[David Fullagar]] z [[Fairchild Semiconductor]] úpravou obvodu LM101, který navrhl [[Robert Vidlar]]. Na rozdíl od LM101, který vyžaduje vnější [[kondenzátor]] frekvenční korekce, má μA741 tento kondenzátor vestavěný. Díky jednoduchosti použití a ve své době výborným charakteristikám se μA741 stal široce používaným obvodem a „typickým“ univerzálním operačním zesilovačem. I když se později začaly vyrábět obvody s podstatně lepšími charakteristikami, OZ 741 a jeho klony ještě v roce 2015 vyrábělo množství výrobců (například LM741, AD741, К140УД7).

== Struktura OZ ==

I když je možné považovat operační zesilovač za [[Černá skříňka (kybernetika)|černou skříňku]] s charakteristikami ideálního OZ, je důležité mít představu o vnitřní struktuře OZ a principech jeho činnosti, protože při praktickém používání OZ mohou vzniknout problémy způsobené omezeními jeho zapojení.

Různá provedení OZ mohou mít různou strukturu, ale vycházejí z jednoho principu. OZ druhé a dalších generací jsou tvořeny následujícími funkčními bloky:

[[Soubor:OpAmpTransistorLevel Colored Labeled.svg|náhled|vpravo|450px|Vnitřní zapojení operačního zesilovače 741]]

# [[Diferenciální zesilovač]]
#* Vstupní stupeň zajišťuje zesílení s malou úrovní šumu a vysoký [[vstupní odpor]]. Obvykle má diferenciální výstup.
# Zesilovač napětí
#* Má vysoký činitel napěťového zesílení, pokles [[Amplitudově-frekvenční charakteristika|amplitudově-frekvenční charakteristiky]] jako u jednopólového filtru nízkých frekvencí, a obvykle jediný (to je, ne diferenciální) výstup.
# Výstupní zesilovač
#* Koncový stupeň zabezpečuje vysokou proudovou [[Zatěžovací schopnost|zatěžovací schopnost]], nízký [[výstupní odpor]], omezení výstupního proudu a ochranu před [[zkrat]]em na výstupu.

== Proudová zrcadla ==
Části obvodu ohraničené červenou čarou, tvoří [[Proudové zrcadlo|proudová zrcadla]]. Primární [[Elektrický proud|proud]], který nastavuje všechny ostatní proudy, nastavuje [[Zdroj napětí|napětím napájení]] OZ a rezistorem 39 [[Ohm (jednotka měření)|kΩ]] (plus dva poklesy napětí na diodovém přechodu). Primární proud činí přibližně
{{Vzorec|<math> I_{\text{ref}} = \frac {V_{\text{S}+} - V_{\text{S}-} - 2V_{\text{be}}} {39\, \text{k}\Omega}
   </math>|1}}

Pracovní bod vstupního stupně podle [[Stejnosměrný proud|stejnosměrnému proudu]] se nastavuje dvěma proudovým zrcadly vlevo. Proudové zrcadlo tvořené tranzistory Q8/Q9 dovoluje pracovat s velkými [[soufázový signál|soufázovými]] napětími na vstupu, ne vycházejíce při tomto z aktivního režimu činnosti tranzistorů. Proudové zrcadlo Q10/Q11 nepřímo slouží k nastavení klidového proudu vstupního stupně. Tento proud navazuje se rezistorem 5 kΩ. Obvod nastavení proudového předpětí pracuje následující způsobem: Pokud se proud vstupního stupně liší (tento rozdíl detekuje tranzistor Q8) od hodnoty nastavené tranzistorem Q10, projeví se to v proudu Q9, což způsobí změnu napětí v místě spojení kolektorů Q9 a Q10. Toto napětí je přivedeno na bázi Q3 a Q4, zmenšuje odchylku proudu vstupního stupně od jmenovitého. Stejnosměrná složka proudu vstupního stupně je tak stabilizována hlubokou [[Záporná zpětná vazba|zápornou zpětnou vazbou]].

Proudové zrcadlo Q12/Q13 zabezpečuje stejnosměrný proud zátěže pro [[zesilovač třídy A]]; tento proud prakticky nezávisí na výstupním napětí OZ.

== Diferenciální vstupní stupeň ==
Část obvodu ohraničená modrou čarou tvoří diferenciální (rozdílový) zesilovač. Tranzistory Q1 a Q2 pracují jako [[emitorový sledovač|emitorové sledovače]], jejichž zátěž tvoří dvojice tranzistorů Q3 a Q4 zapojených jako [[Zesilovač se společnou bází|zesilovače s společnou bází]]. Q3 a Q4 kromě tohoto vyrovnávají úrovně napětí a zajišťují předzesílení signálu před jeho přivedením na zesilovač třídy А.

Aktivní zátěží diferenciálního zesilovače tvořeného tranzistory Q1 až Q4 je proudové zrcadlo složené z tranzistorů Q5 až Q7. Tranzistor Q7 zvětšuje přesnost (rovnost proudů v obou větvích) proudového zrcadla snížením proudu odebíraného z kolektoru Q3 pro řízení bází tranzistorů Q5 a Q6. Toto proudové zrcadlo zabezpečuje převod diferenciálního signálu na nediferenciální následující způsobem:

* Signál z kolektoru Q3 je přiveden na vstup proudového zrcadla, a výstup zrcadla (kolektor Q6) je propojen s kolektorem Q4.
* Zde se proudy kolektorů Q3 a Q4 sečtou, protože pro diferenciální vstupní signály mají signalizační proudy tranzistory Q3 a Q4 stejnou absolutní hodnotu, ale opačnou polaritu.

Díky tomu je součet dvojnásobkem proudů tekoucích tranzistory Q3 a Q4. Napětí signálu na kolektoru Q4 v [[Klidový režim|klidovém režimu]] se rovná součinu součtu signálních proudů a odporů kolektorů Q4 a Q6 zapojených paralelně. Tento součin je relativně velký, protože odpory kolektorů pro signálové proudy jsou velké.{{poznámka|Kolektor tranzistoru v [[Aktivní režim tranzistoru|aktivním režimu]] se chová jako [[Generátor proudu (elektronika)|generátor proudu]]}}

Je třeba poznamenat, že proud báze vstupních tranzistorů je nenulový a [[diferenciální odpor]] vstupu OZ 741 činí přibližně 2 [[Ohm (jednotka měření)|MΩ]].

OZ má dva vyvažovací vstupy (na obrázku označené ''Offset''), které umožňují nastavit vstupní ''předpětí'' OZ na nulu. Pro nastavení je třeba připojit k vývodům [[potenciometr]].

== Zesilovací stupeň třídy А ==

Část obvodu ohraničená fialovou čarou je zesilovacím stupněm třídy А. Skládá se ze dvou tranzistorů NPN v [[Darlingtonovo zapojení|Darlingtonově zapojení]]. Kolektorovou zátěží je výstupní část proudového zrcadla Q12/Q13, čímž se dosahuje vysokého zesílení tohoto stupně. Kondenzátor o kapacitě 30 pF zabezpečuje frekvenčně závislou [[Záporná zpětná vazba|zápornou zpětnou vazbou]], která zvyšuje stabilitu OZ při práci s vnější zpětnou vazbou. Tato technika se nazývá ''Millerova kompenzace''. Prakticky funguje jako [[Integrátor (elektronika)|integrátor]] tvořený OZ.
<!-- Tato technika se nazývá 'kompenzace dominantního [[Pól (komplexní analýza)|pólu]]', protože zavádí [[dominantní pól]] (který maskuje vliv ostatních pólů) do [[otevřená smyčka|otevřené smyčky]] frekvenční odezvy.-->
Pól může mít poměrně nízkou frekvenci, například 10 Hz pro OZ 741. Při této frekvenci dochází k poklesu o −3 dB [[Amplitudově-frekvenční charakteristika|amplitudově-frekvenční charakteristiky]] OZ při otevřené smyčce vnější zpětné vazby. Frekvenční kompenzace zabezpečuje nepodmíněnou stabilitu OZ v širokém pásmu podmínek a proto značně zjednodušuje jeho použití.

== Obvody předpětí výstupu ==
Část obvodu ohraničená zelenou čarou zajišťuje správné předpětí tranzistorů koncového stupně. Tato část obvodu tvoří [[násobič napětí báze-emitor]] – dvoupól, udržující na svých výstupech konstantní rozdíl potenciálů, který nezávisí na protékajícím proudu. Jde o obdobu [[Zenerova dioda|stabilizační diody]] tvořenou tranzistorem Q16. Pokud předpokládáme, že proud báze tranzistoru Q16 je nulový, a napětí báze-emitor je 0,625 V (typické napětí báze-emitor pro křemíkové bipolární tranzistory), pak proudy, tekoucí rezistory 4,5 kΩ a 7,5 kΩ, budou stejné, a napětí na rezistoru 4,5 kΩ bude 0,375 V. Díky tomu napětí na celém dvoupólu bude také 0,625 + 0,375 = 1 V. Toto napětí udržuje výstupní tranzistory v téměř otevřeném stavu, což zmenšuje [[přechodové zkreslení]].

Stabilizace předpětí násobičem napětí báze-emitor je zajímavá tím, že při změnách teploty se napětí báze-emitor mění ''stejně'' jak pro stupeň s předpětím tak v obvodech, které předpětí vytvářejí, díky čemuž se teplotně závislé vlivy vzájemně odečítají. Tím se výrazně zlepšuje teplotní stabilita pracovního bodu předpěťových tranzistorů, především v integrovaných obvodech, kde všechny tranzistory mají stejnou teplotu (protože jsou vytvořeny na jedné křemíkové destičce).

V některých zesilovačích z diskrétních součástek vytvářejí předpětí pro výstupní tranzistory sériově zapojené polovodičové diody (obvykle dvě).

== Koncový stupeň ==
Koncový stupeň (ohraničený světle modrou čarou) [[Klasifikace elektronických zesilovačů#Třída AB|třídy AB]] je push-pull emitorový sledovač (Q14, Q20), jehož předpětí zajišťuje ''násobič napětí'' ''V''<sub>be</sub> (Q16 a rezistory, spojené s jeho bází). Na koncový stupeň je přiváděn signál z kolektorů tranzistorů Q13 a Q19. Maximální výstupní napětí OZ je přibližně o 1 V menší než napájecí napětí; to je způsobeno poklesem napětí na plně otevřených tranzistorech výstupního stupně.

Rezistor s odporem 25 Ω ve výstupním stupni funguje jako snímač proudu. Společně s tranzistorem Q17 omezuje proud emitorového sledovače Q14 na přibližně 25 mA. Omezení proudu v dolní větvi (tvořené tranzistorem Q20) výstupního stupně push-pull se provádí měřením proudu emitorem tranzistoru Q19 a následujícím omezením proudu báze Q15. Novější varianty OZ 741 mohou používat jiné metody omezení výstupního proudu.

== Odkazy ==
=== Poznámky ===
{{poznámky}}

=== Reference ===
{{Překlad|ru|Операционный усилитель 741|105667016}}

=== Externí odkazy ===
* [https://web.archive.org/web/20061216222327/http://www.uoguelph.ca/~antoon/gadgets/741/741.html Operational amplifiers] Úvodní článek o OZ μA741.
* [https://teslakatalog.cz/MAA741.html Katalogové údaje operačních zesilovačů vyráběných v bývalém Československu, včetně MAA741]

[[Kategorie:Analogové integrované obvody]]