引言

LM358是一款經(jīng)典的雙運(yùn)算放大器芯片，常用于各種模擬電路中，包括信號(hào)處理、信號(hào)放大和電壓比較等。作為一款集成電路，LM358具備性能穩(wěn)定、功耗低和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備。本文將詳細(xì)介紹LM358的引腳功能、參數(shù)特性、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)注意事項(xiàng)，以幫助讀者全面理解該芯片的設(shè)計(jì)和使用方法。

LM358的芯片結(jié)構(gòu)和封裝形式

LM358一般采用8腳雙列直插（DIP-8）或小型封裝（如SOP-8、SOIC-8）形式，便于在各種電路板上使用。芯片內(nèi)部包含兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，每個(gè)運(yùn)算放大器都有獨(dú)立的輸入和輸出端，方便設(shè)計(jì)雙通道應(yīng)用。LM358適用于單電源供電的電路，可以在低至3V至32V的電源范圍內(nèi)正常工作，特別適合電池供電的便攜設(shè)備。

LM358引腳功能介紹

LM358共有8個(gè)引腳，每個(gè)引腳的功能如下：

1. 引腳1（輸出1）：第一通道的輸出端。該引腳是第一組運(yùn)算放大器的輸出，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)放大或比較后的信號(hào)，具體的信號(hào)取決于電路的設(shè)計(jì)要求。

2. 引腳2（反相輸入1）：第一通道的反相輸入端。通過(guò)向此引腳輸入信號(hào)，可以與同相輸入端引腳3進(jìn)行比較。如果輸入端信號(hào)低于同相輸入，輸出信號(hào)為高，反之亦然。

3. 引腳3（同相輸入1）：第一通道的同相輸入端。此引腳用于接入需要放大的正極性信號(hào)，通常與反相輸入引腳一起使用，以實(shí)現(xiàn)差分輸入放大。

4. 引腳4（Vss或GND）：電源負(fù)極或接地端。LM358的供電范圍較廣，單電源供電時(shí)該引腳通常接地（GND），以提供穩(wěn)定的電源基準(zhǔn)。

5. 引腳5（同相輸入2）：第二通道的同相輸入端，與引腳3功能相同，只是作用于第二個(gè)運(yùn)算放大器。

6. 引腳6（反相輸入2）：第二通道的反相輸入端，與引腳2功能類(lèi)似，作用于第二個(gè)運(yùn)算放大器。

7. 引腳7（輸出2）：第二通道的輸出端，第二組運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)通過(guò)此引腳輸出，用于控制或驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路。

8. 引腳8（Vcc）：電源正極。該引腳接入正電源，通常是+3V到+32V，具體電壓取決于實(shí)際應(yīng)用要求。

LM358的主要技術(shù)參數(shù)

LM358的主要參數(shù)包括電源電壓、輸入偏置電流、共模輸入電壓范圍、增益帶寬積、輸出電壓擺幅、靜態(tài)功耗和差模增益等。

1. 電源電壓范圍：LM358支持單電源供電，電壓范圍為3V到32V，或雙電源供電時(shí)為±1.5V至±16V，適用于低壓和便攜式設(shè)備。

2. 輸入偏置電流：輸入偏置電流為典型20nA，最大250nA。較低的輸入偏置電流確保了LM358在低功耗和高精度應(yīng)用中的穩(wěn)定性。

3. 共模輸入電壓范圍：LM358的共模輸入電壓范圍從0V到Vcc-1.5V，適用于單電源供電的電路設(shè)計(jì)中。共模輸入電壓范圍較寬，使其可以有效放大小信號(hào)。

4. 增益帶寬積：LM358的增益帶寬積為700kHz，適用于較低頻率的信號(hào)放大應(yīng)用。雖然帶寬不是很高，但對(duì)普通的模擬電路應(yīng)用而言已經(jīng)足夠。

5. 輸出電壓擺幅：LM358的輸出電壓范圍接近Vcc和GND，但不能完全達(dá)到電源電壓，典型情況下輸出電壓范圍在0V至Vcc-1.5V之間。

6. 靜態(tài)功耗：LM358的靜態(tài)電流消耗為典型0.5mA，這種低功耗特點(diǎn)使其非常適合電池供電的應(yīng)用。

7. 差模增益：LM358的開(kāi)環(huán)增益高達(dá)100dB以上，能夠提供較大的信號(hào)放大倍數(shù)，適用于低頻的高增益放大場(chǎng)合。

LM358的工作原理

LM358內(nèi)部包含兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，每個(gè)運(yùn)算放大器都具有反相和同相輸入端，以及一個(gè)輸出端。LM358作為雙運(yùn)算放大器芯片，主要的工作原理基于差分放大，當(dāng)同相輸入電壓大于反相輸入電壓時(shí)，輸出電壓增大；反之，則輸出電壓降低。通過(guò)調(diào)整輸入端的電阻網(wǎng)絡(luò)和反饋回路，可以實(shí)現(xiàn)不同的增益和頻率響應(yīng)。

LM358適用于單電源供電環(huán)境。其差分輸入設(shè)計(jì)使其在低共模電壓下仍能正常工作，適合在單端供電的低電壓信號(hào)放大應(yīng)用場(chǎng)景。輸出端具有較高的拉電流能力，但驅(qū)動(dòng)能力有限，通常用于低功耗驅(qū)動(dòng)電路或傳感器信號(hào)處理等。

LM358的應(yīng)用場(chǎng)景

LM358廣泛應(yīng)用于各種低頻信號(hào)處理電路，如濾波器、比較器、放大器、低通濾波器和模擬信號(hào)放大等。以下是LM358的一些常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景：

1. 直流信號(hào)放大：由于LM358的低功耗和較高的差模增益，它經(jīng)常用于直流信號(hào)放大器，例如傳感器信號(hào)放大?？梢酝ㄟ^(guò)合理設(shè)計(jì)反饋電阻來(lái)控制增益，使其能夠穩(wěn)定放大小信號(hào)。

2. 電壓比較器：LM358可以作為電壓比較器來(lái)使用。例如，在低電壓環(huán)境下檢測(cè)電池電量，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定閾值時(shí)輸出警報(bào)信號(hào)。

3. 濾波電路：LM358可以用于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的低通或帶通濾波器，去除高頻噪聲。在濾波應(yīng)用中，LM358的帶寬雖有限，但對(duì)一般低頻應(yīng)用已足夠。

4. 電源管理：LM358常用于電源電壓監(jiān)控電路中，檢測(cè)電壓變化并控制相應(yīng)電路的開(kāi)關(guān)。通過(guò)簡(jiǎn)單的分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)置電壓閾值，LM358可以實(shí)現(xiàn)電壓檢測(cè)功能。

5. 音頻放大器：雖然LM358的增益帶寬不高，但在某些低頻音頻信號(hào)放大中也可以發(fā)揮作用，尤其是低功耗的音頻設(shè)備。

LM358的優(yōu)點(diǎn)與局限性

LM358具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)，例如：

• 低功耗：LM358的工作電流僅為0.5mA，適用于電池供電的便攜設(shè)備。

• 寬電源電壓范圍：支持3V至32V的電源電壓，使其在各種供電環(huán)境中都能正常工作。

• 低輸入偏置電流：低偏置電流使其能夠處理小信號(hào)，適合于傳感器信號(hào)放大和低功耗應(yīng)用。

• 經(jīng)濟(jì)性：LM358成本較低，性價(jià)比高，適用于大批量生產(chǎn)的消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備。

盡管LM358有很多優(yōu)點(diǎn)，但它也存在一些局限性：

• 增益帶寬有限：700kHz的增益帶寬積在高頻應(yīng)用中不夠用，適合低頻信號(hào)的處理。

• 輸出擺幅有限：輸出端不能完全達(dá)到電源電壓，需要設(shè)計(jì)時(shí)注意這一限制。

• 開(kāi)環(huán)增益溫度漂移：LM358的增益會(huì)隨溫度變化，可能導(dǎo)致信號(hào)放大精度下降。

LM358的注意事項(xiàng)

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，使用LM358時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

1. 電源電壓選擇：電源電壓應(yīng)在3V到32V之間，避免過(guò)高或過(guò)低的電源電壓，以免影響正常工作。

2. 輸入電壓范圍：確保輸入電壓在共模輸入電壓范圍內(nèi)，防止輸入電壓超出范圍引起失真或器件損壞。

3. 反饋電路：設(shè)計(jì)時(shí)，需要合理選擇反饋電路，尤其是在高增益應(yīng)用中，應(yīng)注意反饋網(wǎng)絡(luò)的阻值，以確保電路穩(wěn)定性并防止振蕩。反饋電路可以采用電阻、電容等元件組合設(shè)計(jì)，根據(jù)需要調(diào)整增益和頻率響應(yīng)。

4. 電源去耦：LM358的電源端應(yīng)加裝適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙?，以減少電源噪聲對(duì)放大電路的影響。通常在Vcc與GND之間放置一個(gè)0.1μF的陶瓷電容，能夠有效濾除高頻噪聲。去耦電容的值應(yīng)根據(jù)電路的工作頻率和實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

5. 溫度影響：LM358的增益和偏置電流可能會(huì)隨溫度變化而漂移，因此在精密測(cè)量應(yīng)用中，溫度變化較大的環(huán)境下應(yīng)考慮溫度補(bǔ)償或選用具有溫度穩(wěn)定性的運(yùn)放。

6. 避免飽和和削波：在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證輸入信號(hào)范圍和放大倍數(shù)不會(huì)導(dǎo)致輸出超出最大輸出擺幅，否則將出現(xiàn)飽和或削波現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)失真。合理選擇增益值和輸入信號(hào)范圍，以保證輸出信號(hào)處于線性工作區(qū)域。

LM358的典型應(yīng)用電路

以下是一些常見(jiàn)的LM358應(yīng)用電路，幫助理解其在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)方式。

1. 基本放大電路

LM358的最常見(jiàn)應(yīng)用之一是基本的信號(hào)放大電路。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娮韬洼斎腚娮?，可以控制放大器的增益。例如，反相放大電路的增益為?fù)增益，即$-R_f / R_{in}$?Rf/Rin，其中$R_f$Rf是反饋電阻，$R_{in}$Rin是輸入電阻。同相放大電路的增益則為正增益，增益值為$1 + (R_f / R_{in})$1+(Rf/Rin)。

基本放大電路的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增益可調(diào)，適用于各種傳感器信號(hào)放大、模擬信號(hào)放大等低頻信號(hào)處理。

2. 電壓跟隨器

電壓跟隨器（也稱為緩沖器）是LM358的一種特殊應(yīng)用，電路中輸出端直接反饋到反相輸入端，增益為1。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗極高，適合放大高阻抗源的信號(hào)，而不會(huì)對(duì)源產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)。電壓跟隨器通常用于信號(hào)隔離和阻抗匹配，保證輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后不失真。

3. 比較器電路

LM358在電壓比較器應(yīng)用中，通過(guò)設(shè)置不同的輸入電壓閾值，可以實(shí)現(xiàn)低電壓監(jiān)控、開(kāi)關(guān)控制等功能。此時(shí)LM358工作在開(kāi)環(huán)模式，反相輸入端和同相輸入端之間的電壓差將直接影響輸出。當(dāng)同相輸入端電壓高于反相輸入端電壓時(shí)，輸出為高電平；相反，當(dāng)同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓時(shí)，輸出為低電平。

通過(guò)在比較器的輸入端連接適當(dāng)?shù)姆謮弘娮杌螂娢黄?，可以設(shè)置一個(gè)可調(diào)的電壓閾值。例如，用于電池電量檢測(cè)時(shí)，可以設(shè)置一個(gè)電壓閾值，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，LM358輸出低電平，觸發(fā)警報(bào)電路或LED指示。

4. 有源濾波器電路

LM358在有源濾波電路中的應(yīng)用也十分廣泛。低通濾波器是一種典型的有源濾波電路，它可以濾除高頻信號(hào)，只允許低頻信號(hào)通過(guò)。該電路通常使用反饋電阻和電容來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率選擇性。濾波電路的截止頻率由反饋元件的參數(shù)決定，常用于音頻設(shè)備和信號(hào)處理電路中，去除不必要的噪聲或高頻成分。

LM358適合低頻的有源濾波器設(shè)計(jì)，可以用來(lái)構(gòu)建簡(jiǎn)單的低通或帶通濾波器。在高精度和低頻應(yīng)用中，LM358表現(xiàn)良好，尤其適用于不需要寬帶響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

LM358的實(shí)際應(yīng)用案例

案例一：溫度傳感器放大電路

在溫度檢測(cè)電路中，LM358可以作為熱敏電阻（如NTC或PTC）信號(hào)的放大器，將微弱的溫度信號(hào)放大，以便后續(xù)電路處理。溫度傳感器的阻值會(huì)隨溫度變化而變化，通過(guò)LM358將其變化放大，可以得到與溫度成比例的電壓信號(hào)。通常會(huì)選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娮?，以調(diào)整增益和靈敏度，使其能夠檢測(cè)到小的溫度變化。

案例二：電池電壓監(jiān)測(cè)電路

LM358也常用于電池電壓監(jiān)測(cè)電路中，作為電壓比較器。通過(guò)分壓電阻設(shè)置電壓閾值，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，LM358輸出信號(hào)可用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈或報(bào)警器，提示用戶電池電量不足。該應(yīng)用利用了LM358的低功耗特點(diǎn)，特別適合便攜式設(shè)備中的電壓檢測(cè)。

案例三：音頻信號(hào)放大

在簡(jiǎn)單的音頻放大應(yīng)用中，LM358可用于將麥克風(fēng)或其他音頻源的微弱信號(hào)放大，以便后續(xù)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。音頻放大電路中LM358的增益不宜過(guò)高，以防止信號(hào)失真。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娮韬洼斎腚娙?，可以?gòu)建一個(gè)適用于音頻頻段的放大器。

LM358的替代和升級(jí)選擇

雖然LM358適用于大多數(shù)低頻信號(hào)放大應(yīng)用，但在一些高帶寬或更高增益的應(yīng)用中，可能需要替代型號(hào)。以下是一些常見(jiàn)的替代型號(hào)及其特點(diǎn)：

1. TL082：TL082具有較高的增益帶寬積（3MHz），適合需要更高帶寬的應(yīng)用，通常在音頻設(shè)備或高速信號(hào)處理中表現(xiàn)較好。

2. OP07：OP07具有超低偏置電壓和高精度，適合精密測(cè)量和信號(hào)處理，但帶寬較低，適用于低頻應(yīng)用。

3. LM324：LM324是一個(gè)四運(yùn)算放大器芯片，與LM358同屬于單電源供電系列，適合多通道放大應(yīng)用，具有類(lèi)似的低功耗特點(diǎn)。

4. LM393：LM393是一款雙電壓比較器芯片，適合電壓比較應(yīng)用，雖然不能直接替代LM358的放大器功能，但在電壓監(jiān)控和開(kāi)關(guān)電路中表現(xiàn)良好。

總結(jié)

LM358是一款性價(jià)比高、性能穩(wěn)定的雙運(yùn)算放大器芯片，憑借其低功耗、寬電源電壓范圍和較高的差模增益，成為電子電路設(shè)計(jì)中的熱門(mén)選擇。本文詳細(xì)介紹了LM358的引腳功能和主要技術(shù)參數(shù)，分析了其工作原理，并結(jié)合實(shí)例說(shuō)明了該芯片在直流信號(hào)放大、電壓比較、濾波和音頻放大等應(yīng)用中的使用方法。

雖然LM358在帶寬和輸出擺幅方面有一定限制，但它的優(yōu)點(diǎn)在于低功耗和簡(jiǎn)單易用，適用于低頻和中低精度的應(yīng)用場(chǎng)景。LM358在電池供電、溫度傳感器信號(hào)處理和便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域表現(xiàn)出色。在實(shí)際應(yīng)用中，合理設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)、選擇合適的電源電壓和反饋網(wǎng)絡(luò)，可以充分發(fā)揮LM358的優(yōu)勢(shì)。