The uA741 Operational 

Amplifier

 

 

Outline

• Brief History

• Stages

• DC Bias Point Analysis

• Small Signal Analysis

• Concluding Remarks

 

 

Brief History

• 1964 – Bob Widlar designs the first op-amp: the 

702.  

–

Using only 9 transistors, it attains a gain of over 1000

–

Highly expensive: $300 per op-amp

• 1965 – Bob Widlar designs the 709 op-amp 

which more closely resembles the current 
uA741

–

This op-amp achieves an open-loop gain of around 
60,000.

–

The 709’s largest flaw was its lack of short circuit 
protection.

 

 

Brief History (cont)

• After Widlar left Fairchild, Dave Fullagar 

continued op-amp design and came up with 

the uA741 which is the most popular 

operational amplifier of all time.

– This design’s basic architecture is almost identical 

to Widlar’s 309 op-amp with one major difference: 

the inclusion of a fixed internal compensation 

capacitor. 

• This capacitor allows the uA741 to be used without any 

additional, external circuitry, unlike its predecessors.

– The other main difference is the addition of extra 

transistors for short circuit protection.

– This op-amp has a gain of around 250,000

 

 

Schematic

 

 

Stages

• Input Differential Stage

• Intermediate Signal-Ended High-Gain 

Stage

• Output Buffering Stage

• Current Source / Short Circuit Protection

 

 

Input Differential Stage

The input stage consists of the transistors Q1 
through Q7 with biasing performed by Q8, 
Q9, and Q10.  

Transistors Q1 and Q2 are emitter followers 
which causes input resistance to be high and 
deliver the differential input signal to the 
common base amplifier formed by Q3 and 
Q4.

Transistors Q5, Q6, and Q7, and resistors R1, 
R2, and R3 form the load circuit of the input 
stage.  This portion of the circuit provides a 
high resistance load.

Transistors Q3 and Q4 also serve as 
protection for Q1 and Q2.  The emitter-base 
junction of Q1 and Q2 breaks down at around 
7V but the pnp transistors have breakdown 
voltages around 50V.  So, having them in 
series with Q1 and Q2 protects Q1 and Q2 
from an accidental connection  between the 
input terminals.

 

 

Intermediate Single-Ended 

High-Gain Stage

The second stage is composed of Q16, Q17,
Q13B, and the resistors R8 and R9.

Transistor Q16 acts as an emitter follower
giving the second stage a high input resis-
tance.  

Transistor Q17 is a common-emitter amplifier
with a 100-Ώ resistor in the emitter.  The load
of this amplifier is composed of the output 
resistance of Q13B.  This use of a transistor
as a load resistance is called active load.

The output of this amplifier (the collector of 
Q17) has a feedback loop through Cc.  This 
capacitor causes the op-amp to have a pole
at about 4Hz.  

 

 

Output Buffering Stage

The Output Stage consists of the 
complimentary pair Q14 and Q20, 
and a class AB output stage 
composed of Q18 and Q19.  Q15 
and Q21 give short circuit protection
(described later) and Q13A supplies 
current to the output stage.

The purpose of the Output Stage is
to provide the amplifier with a low
output resistance.  Another requirement
of the Output Stage is the ability to 
dissipate large load currents without
dissipating large quantities of power.
This is done through the class AB Out-
put Stage.  

 

 

Current Source / Short Circuit 

Protection

• Transistors Q11 and Q12 form one half of a current 

mirror that is used to supply current to the entire op-

amp.

• Transistor Q10 is used to supply a bias current to the 

Input Stage, Q13B supplies the Second Stage, and 

Q13A supplies the Output Stage.

• Transistors Q15, Q21, Q24, Q22, and resistors R6, R7, 

and R11 make up the short circuit protection circuit.  

For a more detailed description see your text.
(Microelectronic Circuits by Sedra / Smith
 4

th

 addition, pg 813)

 

 

DC Analysis

Reference Bias Current

• This current is generated by Q11, Q12 and resistor 

R5.  From these, we can write:

• From this value of IREF, the current in the collector of 

Q10 can be calculated.

• This value (IC10) is twice the value of I (which is used 

later in the DC analysis.

I

REF

V

cc

V

be



V

be



V

ee









R

5



I

REF

0.733mA



Given

I

C10

R

4



V

T

ln

I

REF

I

C10















I

C10

18.421

A



 

 

DC Analysis (cont)

Input Stage

Using the value IC10 found before, the analysis 
unfolds as shown in the schematic.

This analysis is done using the 
standard BJT, current mirror, and 
differential amplifier textbook 
equations.

 

 

DC Analysis (cont)

Second Stage

Assuming beta to be >> 0, the 
following DC biasing equations result

I

C13B

550A



I

C13B

0.75 I

REF





I

C16

I

E16

I

B17

I

E17

R

8





V

be



R

9

16.2A

 

 

DC Analysis (cont)

Output Stage

Using the fact that Q13A delivers ¼ of IREF, the 
following outputs result:

If Vbe is assumed to be 0.7V, the current in R10 is 
18uA which causes the following:

Since the base current of Q18 is IC18 / beta = 
165u / 200:

I

C23

I

E23

0.25 I

REF



180A

I

C18

I

E18

I

C23

I

R10



162A

I

C19

I

E19

I

R10

I

B18



18.8A

 

 

DC Analysis (cont)

Table of Results

Below is a table that lists all of the 
transistors and their collector 
currents.

DC Collector Currents of the 741 op-amp (uA)

Q1

9.5

Q8

19

Q13B

550

Q19

15.8

Q2

9.5

Q9

19

Q14

154

Q20

154

Q3

9.5

Q10

19

Q15

0

Q21

0

Q4

9.5

Q11

730

Q16

16.2

Q22

0

Q5

9.5

Q23

730

Q17

550

Q23

180

Q6

9.5

Q13A

180

Q18

165

Q24

0

Q7

10.5

 

 

Small Signal Analysis

To better visualize the various small 
signal properties of the uA741 op-
amp, a simple inverting circuit is 
constructed around the op-amp.

This circuit is the circuit that will 
be used in the following 
analysis.  It has a gain of 100 
(Rf / R).

 

 

Small Signal Analysis (cont)

1. Frequency Response

The op-amp circuit is 
supplied by a 1mV AC 
signal and a Frequency 
analysis is performed.

The inverting amplifier 
circuit outputs a gain 
of 100 until a 
frequency of 8kHz is 
reached.  After this 
point, it attenuates at 
20dB per decade until 
it reaches unity gain at 
1MHz.  

 

 

Small Signal Analysis (cont)

2. Transient analysis

The op-amp circuit is 
now supplied with a 
1mV 1kHz sinusoidal 
source and a transient 
analysis is performed.

The op-amp outputs a 
100mV signal that is 
the exact inverse of 
the input signal.  This 
verifies that the op-
amp is indeed 
magnifying the signal 
appropriately as well 
as inverting the signal.

 

 

Small Signal Analysis (cont)

3. Monte Carlo Analysis

  a.  The resistors of the circuit are to be given 

a    

       2% tolerance and the frequency/transient   
       analysis are to be performed again.
  b.  Next, the beta values of the transistors 
       are to be given a tolerance of 50%.
  c.  Finally, the temperature of the circuit is 

 varies from –150C to 100C

 

 

Monte Carlo Analysis

The resistor values are allowed to 
vary by 2%

– Transient Analysis

The resistor values, as can 
be seen on the left, do cause 
changes in the output signal, 
however, the general output 
shape is retained.  Note: The 
61mV offset is still present

 

 

Monte Carlo Analysis

The resistor values are allowed to 
vary by 2%

– Frequency Response

As is to be expected, the 
resistor variances have 
little (almost none) effect 
on the frequency 
response of the op-amp.  
This is expected because 
the resistors have no 
effect on the 
capacitances and poles of 
the amplifier.

 

 

Monte Carlo Analysis

The transistor beta values are allowed to vary by 
plus/minus 50

– Transient Analysis

As is evident by the plot on the left, 
the beta value of the transistors 
have very little effect on the output 
signal.  The design of the uA741 op-
amp is such that the circuit is beta 
independent.

The plot on the right is a histogram 
showing the number of times that 
a particular output value (from the 
above simulation) occurred.  As 
can be seen, a vast majority of the 
output signals are within 5mV of 
the expected value.

 

 

Monte Carlo Analysis

The transistor beta values are allowed to vary by 
plus/minus 50

– Frequency Analysis

As is evident by the 
simulation/histogram on the left, 
the uA741 operational amplifier’s 
frequency response is not 
effected by changes in beta.  
Once again, this is due to the op-
amp’s relative beta 
independence.  This beta 
independence is quite beneficial 
because in the mass production 
of transistors, their beta values 
can vary by a large amount.  
Having the op-amp operate 
regardless of beta variations 
assures that the amplifier will 
operate properly in a wide range 
of conditions.

 

 

Monte Carlo Analysis

The temperature of the system is set 
to 

    -150C, 0C, and 100C

As can be seen by the 
simulation on the left, 
variances in temperature do 
not effect the shape of the 
output nor do they effect the 
amplitude of the output (the 
gain stays the same).  
Temperature does, however, 
effect the DC offset.

 

 

Concluding Remarks

• The uA741 operational amplifier is a 

versatile circuit that is not adversely 
affected by outside interference.

– Changes in beta, resistor values, and 

temperature have little effect on the op-amp.

– This shows how well the uA741 was designed.

• However, as technology continues to 

improve, CMOS amplifiers are beginning to 
become more popular than their BJT 
cousins.