LM358可以说是电子工程师最熟悉的一块运放芯片了,双路通用运算放大器,供电范围宽、功耗低、价格便宜,几毛钱一片,在各种模拟电路里都能见到。从音频放大、信号调理到电源管理,LM358都能胜任。今天把LM358的几个经典应用电路梳理一遍,再分享一些实际调试中容易遇到的问题和解决办法。
先说说LM358的基本参数。供电电压范围3V到32V,单电源或双电源都能工作,这是它最大的优势之一。很多运放需要正负双电源供电,电路设计麻烦,LM358单电源5V就能跑,特别适合电池供电的便携设备。单位增益带宽1MHz,压摆率0.3V/us,这个性能做音频和低速信号处理完全够用,但做高频信号放大就不行了。输入失调电压2mV,精度要求高的场合可能需要调零或者换精密运放。输出不是轨到轨的,单电源5V供电时输出只能到0V到3.5V左右,留有一定的余量。
最经典的电路是同相比例放大器。输入信号接到运放的同相端(3脚),反相端(2脚)通过电阻R1接地,反馈电阻Rf接在输出端和反相端之间。电压放大倍数是1 + Rf/R1。比如R1取1k,Rf取9k,放大倍数就是10倍。这个电路输入阻抗高,对信号源的负载效应小。但要注意,同相放大器对共模信号也有放大作用,如果输入信号里有较大的共模干扰,可能会影响输出精度。
反相比例放大器也很常用。输入信号通过电阻R1接到反相端(2脚),同相端(3脚)接地,反馈电阻Rf接输出和反相端之间。放大倍数是-Rf/R1,负号表示输出和输入反相。反相放大器的优点是共模抑制比高,因为同相端接地,运放两个输入端的共模电压接近零。缺点是输入阻抗等于R1,如果R1取太小会拉低信号源,取太大又会引入噪声和偏置电流误差,需要权衡。
电压跟随器(缓冲器)是同相放大器的特例,Rf短路、R1开路,放大倍数是1。这个电路看起来没什么用,但实际应用很多。比如传感器输出阻抗很高,直接连后级电路会被拉低电压,中间加一个电压跟随器隔离一下,输出阻抗变得很小,带负载能力强多了。LM358做跟随器时要注意稳定性,有些运放在单位增益下会振荡,LM358内部有补偿电容,一般没问题,但负载电容太大的话还是要小心。
比较器是LM358的另一个常见用法。把运放开环使用,不加负反馈,同相端电压高于反相端时输出高电平,反之输出低电平。可以用来做零 crossing 检测、过压保护、温度报警。比如热敏电阻和固定电阻组成分压电路,温度升高时热敏电阻阻值变化,分压点电压改变,运放检测到这个电压超过阈值就输出报警信号。不过LM358做高速比较器响应不够快,如果需要纳秒级的响应时间,还是得用专用比较器芯片,比如LM339。
实际调试运放电路的时候,有几个常见问题。第一个是电源退耦没做好,运放工作不稳定,输出有高频振荡。解决办法是在电源引脚附近加一个0.1uF的陶瓷电容到地,滤除高频噪声。第二个是输入信号超出了共模输入范围,LM358的共模范围是0到Vcc-1.5V,单电源5V供电时输入不能超过3.5V,超了输出就会失真甚至饱和。第三个是输出摆幅不够,比如想输出0到5V的信号,但LM358只能输出0到3.5V,后级ADC采集不到满量程。这时候可以换轨到轨运放,比如TLV2462,或者提高供电电压到12V。
LM358的代换型号也不少。如果对带宽有更高要求,可以用LM358B或者LM2904,带宽提高到1.2MHz。如果需要更低功耗,MCP6002是不错的选择,静态电流只有100uA。如果需要轨到轨输出,TLV2462、MCP6022都能直接替换, pin-to-pin兼容。如果精度要求高,可以考虑精密运放如OPA2192,失调电压只有5uV,但价格贵不少。总之LM358是个万金油型的运放,一般的项目用它没问题,遇到特殊需求再针对性升级。