1960 年代运算放大器的技术困境

到 20 世纪 60 年代中期，运算放大器已不再局限于真空管和分立晶体管领域。仙童半导体的鲍勃・威德拉（Bob Widlar）早期设计的产品 —— 尤其是 μA702 和 μA709—— 已证明模拟功能模块可集成到单芯片上，但这些早期芯片却十分 “娇气”。

其中，μA709 尤为典型：它需要外接补偿电容，且若布局设计不够精细，就容易产生振荡。它虽能实现功能，但使用体验并不算友好。

1968 年的技术突破：μA741 的创新设计

这种局面在 1968 年被打破 —— 当时在仙童半导体工作的戴夫・福拉加尔（Dave Fullagar）推出了 μA741。他沿用两级运算放大器结构，创新性地加入了片上补偿电容，这一设计在当时具有革命性意义。

这一简单的改进意味着，设计人员无需再为使放大器稳定而专门设计外部网络。只需将μA741 接入电路图、闭合反馈回路，就能放心使用，大大降低了应用门槛。

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μA741 运算放大器（1968 年设计）。图片由戴夫・福拉加尔提供

福拉加尔的创新并未止步于此。μA741 还集成了短路保护、输入保护二极管和失调调零引脚，支持宽电源电压范围（典型值为 ±15V），且能直接驱动中等负载。

实际上，μA741 将运算放大器从实验室推向了大规模量产，为 “通用运算放大器” 确立了设计模板。

环路思维：μA741 的经典拓扑结构

μA741 采用的经典两级运算放大器拓扑结构，在此后数十年间一直是教科书级的设计案例。其结构特点可拆解为三部分：

输入级：由 NPN 差分输入对构成，负责接收并初步处理输入信号；

增益级：配备有源负载与密勒补偿主极点，通过补偿确保电路稳定；

补偿设计：在第一级与第二级之间接入 30pF 内部电容（这是氮化硅电容最早的应用场景之一），既定义了放大器的带宽，又保障了单位增益稳定性。

μA741 简化电路图

其输出级采用 AB 类推挽射极跟随器结构，具备中等程度的拉电流与灌电流能力，同时内置电流限制功能，可防止输出端对地或对电源轨短路。在当时，这种设计让 μA741 拥有了远超同类产品的稳定性。

不过，μA741 的输入和输出均不支持 “轨到轨”（rail-to-rail）。在 ±15V 典型电源电压下，输入共模范围与输出摆幅均约为 ±13V，两侧需保留约 2V 的裕量。其输入失调电压在当时表现不俗（最大约 5mV），输入偏置电流处于微安级，对于通用模拟前端而言已完全满足需求。

工程师的“μA741 使用法则”

μA741 的设计特性，逐渐让工程师形成了一套固定的应用习惯：

在同相输入端添加平衡电阻，以匹配输入偏置电流；

在对直流敏感的应用中，使用失调调零引脚（1 脚和 5 脚）将输出调至零电位；

接受其中等性能参数：压摆率约 0.5V/μs，增益带宽积为 1MHz。

尽管存在这些性能限制，但μA741 仅凭单一型号，就能提供可预测、环路稳定的增益特性，这一点足以覆盖多数通用场景。

数十年的“首选运算放大器”

在数十年间，μA741 一直是积分器、滤波器、缓冲器、求和放大器及低速控制环路的首选运算放大器。它广泛出现在模拟合成器、过程控制器、电源设备中，更是无数教科书中的经典案例。其简洁的设计使其既易于教学，又便于实际应用。

不过，在现代设计中，μA741 的 “年代感” 已十分明显：

不支持轨到轨，在低电源电压下表现不佳；

0.5V/μs 的压摆率无法满足高速音频、视频或射频应用；

约 20nV/√Hz 的输入噪声与数百 nA 的偏置电流，使其难以适配精密仪器；

1MHz 的增益带宽积在高增益配置下很快达到性能上限。

仙童半导体μA741 运算放大器

即便如此，在±12V 或 ±15V 的模拟电路场景中 —— 只要带宽需求中等、功耗并非关键指标 ——μA741 仍是合适的选择，尤其当 “易用性” 比 “高性能” 更重要时。如今，它仍以 CMOS 变体、爱好者套件及复古模拟设备的形式存在。

μA741 的真正遗产：重塑模拟电路思维

或许μA741 最大的遗产，并非其具体功能，而是它所传递的设计理念：

确立了运算放大器的抽象模型，包括输入端“虚短”、无限开环增益、“反馈至上” 的核心原则；

教会了一代又一代工程师：通过闭合反馈回路、依靠补偿机制，即可构建稳定的模拟系统。

原文：

https://www.allaboutcircuits.com/news/a741-the-op-amp-that-made-analog-simple