Ausgefeilte Analog-ICs: LM101 und μA741 Die De-facto-Standards bei Operationsverstärkern

Der LM101 und der μA741 gehören zu den Operationsverstärkern, die zur Referenz für eine ganze Bauteilgeneration wurden. Bob Widlar entwickelte den LM101 1967 bei National Semiconductor; Dave Fullagar verbesserte den Chip ein Jahr später bei Fairchild. Beide Analog-ICs sind bis heute im Einsatz.

Operationsverstärker sind wohl eine der innovativsten Erfindung in der Analogtechnik. Die frühen Bausteine waren allerdings nicht mit den heutigen OpAmps zu vergleichen. Ende der 1960er-Jahre war es noch keine Selbstverständlichkeit, dass monolithische Operationsverstärker stabil arbeiteten. Mit dem LM101 gelang Bob Widlar bei National Semiconductor ein entscheidender Schritt.

Widlar hatte bereits bei Fairchild mit dem μA702 und µA709 die Grundlagen für monolithische Operationsverstärker gelegt. 1965 wechselte er zu National Semiconductor. Zwei Jahre später entstand dort der LM101. Der Baustein verbesserte gegenüber den damaligen Industriestandards unter anderem Eingangsstrom, Offset und Temperaturverhalten. Das Datenblatt LM101A nennt für die weiterentwickelte Variante eine maximale Offsetspannung von 3 mV und einen Eingangsstrom von 100 nA. Typisch sind bei 25 °C eine Offsetspannung von 0,7 mV und ein Eingangsbiasstrom von 30 nA. Die Großsignalverstärkung liegt bei 160 V/mV, also 160.000 V/V.

Der LM101 bietet Überlastschutz an Ein- und Ausgang, ist kurzschlussfest und zeigt kein Latch-up beim Überschreiten des Gleichtaktbereichs. Der zulässige differentielle Eingangsspannungsbereich reicht bis ±30 V.

Der LM101 lässt dem Entwickler die Wahl der Kompensation

Widlar integrierte die Frequenzkompensation nicht fest in den Operationsverstärker. Stattdessen wird sie mit einem externen Kondensator eingestellt, womit der Entwickler die Kompensation an seine Schaltung anpassen konnte.

Das Datenblatt beschreibt unterschiedliche Varianten – von der klassischen Einpolkompensation über Zweipolkompensation bis zur Feedforward-Kompensation. Bei niedrigen Frequenzen kann der Verstärker stärker kompensiert werden, um die Stabilitätsreserve zu erhöhen. Für schnelle Anwendungen lässt sich die Kompensation so wählen, dass die Hochfrequenzeigenschaften deutlich besser ausfallen. Die Slew Rate wird mit 10 V/µs angegeben.

Allerdings musste der Anwender die Schaltung verstehen. Für eine minimale Kompensation gelten beispielsweise Grenzen für Quellimpedanz, Streukapazität am Summierknoten und kapazitive Last. Werden sie überschritten, ist eine stärkere Kompensation erforderlich.

Dave Fullagar entwickelt den LM101 weiter zum μA741

So elegant das Schaltungskonzept von Widlar auch war, es gab einige Schwachstellen. Bei Fairchild Semiconductor nahm Dave Fullagar den LM101 genauer unter die Lupe. Eine Schwachstelle fand er in der Eingangsstufe. Schwankungen des Fertigungsprozesses konnten zu unerwünschten Streuungen führen. Fullagar ergänzte deshalb Transistoren in der Eingangsstufe, um deren Verhalten besser zu steuern und die Verstärkung gleichmäßiger zu machen.

Auch die Bias-Schaltung veränderte er, indem er Teile der ursprünglichen Struktur durch eine einfachere Rückkopplung ersetzte. Die Architektur mit Differenzeingang, aktiver Last bzw. Stromspiegel, eine nachgeschaltete Spannungsverstärkerstufe und eine komplementäre Emitterfolger-Ausgangsstufe beließ er.

Der Kompensationskondensator auf dem Chip bringt Komfort

Die wichtigste Änderung war zugleich die unscheinbarste. Beim LM101 liegt der Kompensationskondensator außerhalb des ICs. Fullagar integrierte ihn in den Chip. Ein Kondensator mit einer Kapazität von 30 pF erzeugt über den Millereffekt eine dominante Polstelle und sorgt dafür, dass der Verstärker in Gegenkopplung stabil betrieben werden kann.

Für den Entwickler bedeutete das eine erheblich vereinfachte Anwendung bei dem neuen Baustein mit der Bezeichnung μA741. Diese kleine Änderung machte den Operationsverstärker extrem erfolgreich.

Zwei De-facto-Standards, zwei erfolgreiche Konzepte

Der LM101 und der μA741 wurden damit zu De-facto-Standards für monolithische Operationsverstärker. Der LM101 zeigte, wie viel sich mit einer ausgefeilten monolithischen Analogschaltung erreichen ließ. Der μA741 nahm wesentliche Elemente dieses Entwurfs auf, verbesserte die Eingangsstufe und den Bias und machte vor allem die Frequenzkompensation zum Bestandteil des monolithischen Schaltkreises.

Dass beide Operationsverstärker über Jahrzehnte bis heute eingesetzt werden, zeigt, wie wegweisend das Konzept ihrer Schaltungsarchitekturen war.

Widlar schuf mit dem LM101 einen sehr flexiblen Analog-IC. Fullagar verbesserte die Architektur an einigen Stellen und machte daraus den μA741. Für den immensen Erfolg des μA741 war jedoch nicht die optimierte Architektur ausschlaggebend, sondern der unkomplizierte Einsatz des Bausteins. (kr)

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