LM358雙運算放大器引腳圖及功能詳解

　　1. 引言：運算放大器的基石

　　運算放大器（Operational Amplifier, 簡稱Op-Amp）是模擬電路設計中最基本、最通用的集成電路之一。它是一種直流耦合的高增益電壓放大器件，通常采用差分輸入和單端輸出。通過外部電阻、電容等元件的配置，運算放大器可以實現各種復雜的模擬信號處理功能，包括放大、濾波、比較、求和、積分、微分等。LM358作為一款經典的雙運算放大器，集成了兩個獨立的、高性能的運算放大器單元，具有低功耗、寬電源電壓范圍、兼容TTL/CMOS電平等優點，廣泛應用于工業控制、消費電子、汽車電子、醫療設備等領域。理解LM358的引腳功能及其內部工作原理，是掌握模擬電路設計的關鍵一步。它不僅僅是一個簡單的放大器，更是一個能夠通過巧妙外部連接實現無數功能的“魔方”。

　　2. LM358概述：一款經典的雙運放

　　LM358是一款由多種半導體制造商生產的通用型雙路運算放大器。它通常采用8引腳的DIP（Dual In-line Package）或SOP（Small Outline Package）封裝。其最顯著的特點是可以在單個電源電壓下工作，這對于許多電池供電或單電源系統應用來說非常方便。盡管其性能在某些方面不如高端運放，但其成本低廉、易于使用、性能穩定，使其成為教學、業余愛好者項目以及許多非精密應用中的首選。LM358的內部包含兩個獨立的、相同的運算放大器，每個運算放大器都能夠獨立工作，互不干擾，這為設計師提供了極大的靈活性，可以在一個芯片上實現兩個不同的模擬功能，從而節省了PCB空間和成本。

　　3. LM358引腳圖：洞悉其外部連接

　　LM358通常采用8引腳封裝，無論是DIP還是SOP，其引腳排列和功能都是標準化的。理解每個引腳的作用是正確使用LM358的前提。下面將詳細介紹每個引腳的功能，并配以文字描述，以幫助您更直觀地理解。

　　3.1 LM358（DIP-8/SOP-8）標準引腳圖

　　通常，當您將DIP封裝的LM358芯片正面朝上，缺口或圓點指示方向時，從左上角開始逆時針數起，引腳編號為1到8。SOP封裝的識別方式類似。

　　引腳1：OUT1（輸出1）

　　功能描述： 這是第一個運算放大器（常稱為A路或運放1）的輸出引腳。經過內部電路處理后的放大信號或比較結果會從這里輸出。這個引腳的電壓會根據運放的輸入信號、增益設置以及外部反饋網絡而變化。它能夠驅動一定電流的負載，但需要注意輸出電流的限制，通常在幾十毫安的范圍內。在設計電路時，必須確保此引腳的輸出不會過載，否則可能導致信號失真或芯片損壞。

　　引腳2：IN1-（反相輸入1）

　　功能描述： 這是第一個運算放大器的反相輸入端。當此引腳的電壓相對于同相輸入端升高時，輸出電壓會下降；反之，當此引腳的電壓相對于同相輸入端降低時，輸出電壓會上升。在負反饋配置中，反饋信號通常連接到這個引腳，以穩定運放的增益和工作點。它是運放實現各種功能的核心輸入端口之一。

　　引腳3：IN1+（同相輸入1）

　　功能描述： 這是第一個運算放大器的同相輸入端。當此引腳的電壓相對于反相輸入端升高時，輸出電壓會上升；反之，當此引腳的電壓相對于反相輸入端降低時，輸出電壓會下降。在許多應用中，輸入信號或基準電壓會連接到這個引腳。同相輸入和反相輸入之間的電壓差（差模輸入電壓）是決定運放輸出的關鍵因素。

　　引腳4：VCC- / GND（負電源/地）

　　功能描述： 這是LM358的負電源引腳，在單電源供電時通常連接到地（GND）。在雙電源供電（例如±12V）的應用中，它會連接到負電源（-12V）。這個引腳為芯片內部電路提供負向或零電位參考，是運放正常工作的電源基準。確保穩定的電源連接對于運放的性能至關重要，不穩定的地或負電源會導致噪聲和性能下降。

　　引腳5：IN2+（同相輸入2）

　　功能描述： 這是第二個運算放大器（常稱為B路或運放2）的同相輸入端。其功能與IN1+相同，為第二個運放提供正向輸入。

　　引腳6：IN2-（反相輸入2）

　　功能描述： 這是第二個運算放大器的反相輸入端。其功能與IN1-相同，為第二個運放提供反向輸入。

　　引腳7：OUT2（輸出2）

　　功能描述： 這是第二個運算放大器的輸出引腳。其功能與OUT1相同，輸出第二個運放的處理結果。

　　引腳8：VCC+（正電源）

　　功能描述： 這是LM358的正電源引腳。它為整個芯片提供工作所需的正向電壓。LM358可以在很寬的電源電壓范圍內工作，通常從3V到32V（或±1.5V到±16V）。穩定的電源電壓對于確保運放的正常工作和最佳性能至關重要。通常會在此引腳附近放置一個去耦電容（例如0.1μF陶瓷電容），以濾除電源線上的高頻噪聲，提供穩定的本地電源。

　　4. LM358內部功能：剖析其核心能力

　　雖然我們無法深入到每個晶體管的層面，但理解LM358內部的基本功能塊對于其應用至關重要。LM358的每個運放單元都包含以下幾個主要部分：

　　4.1 差分輸入級

　　功能描述： 這是運算放大器的第一級，由兩個或更多個晶體管（通常是PNP或NPN晶體管對）組成。它的主要作用是接收來自IN+和IN-引腳的輸入信號，并放大它們之間的電壓差（差模信號），同時抑制共模信號（兩個輸入端共同存在的信號）。差分輸入級的高輸入阻抗確保了運放對前級電路的影響最小化，同時其低輸入偏置電流和失調電壓是衡量運放性能的重要指標。在LM358中，這一級通常采用PNP晶體管，使其能夠處理接近負電源軌（地）的輸入電壓。

　　4.2 中間增益級

　　功能描述： 差分輸入級輸出的信號幅度相對較小，不足以驅動輸出級。中間增益級的作用就是進一步放大信號，提供大部分的電壓增益。這一級通常由多級共射極或共集電極放大器組成，旨在提供高電壓增益和足夠的帶寬。它是運放實現其高開環增益的關鍵部分，這個增益通常非常大，可以達到數十萬甚至數百萬倍。

　　4.3 緩沖/輸出級

　　功能描述： 最后一級是輸出級，也稱為緩沖級。它的主要功能是提供足夠的電流驅動能力，以便運放能夠驅動外部負載，同時保持低輸出阻抗。高增益的中間級通常無法直接驅動大電流負載。輸出級通常采用推挽式（Push-Pull）配置，由互補的晶體管（NPN和PNP）組成，使其能夠源出和吸收電流。LM358的輸出級是AB類推挽輸出，能夠在單電源供電下從接近負電源軌到正電源軌提供輸出擺幅。然而，需要注意的是，LM358的輸出無法完全擺幅到電源軌，通常會存在一定的“飽和”電壓。

　　4.4 偏置電路

　　功能描述： 偏置電路負責為運放內部的所有晶體管提供穩定的工作電流和電壓，確保它們處于正確的偏置狀態。這對于維持運放的性能指標（如增益、帶寬、輸入偏置電流等）至關重要。一個設計良好的偏置電路能夠使運放在寬溫度和電源電壓范圍內保持穩定工作。

　　4.5 保護電路

　　功能描述： 為了防止過載、短路或其他異常情況對芯片造成損壞，LM358內部通常包含各種保護電路，例如輸出短路保護、過熱保護等。這些保護功能增強了芯片的魯棒性，使其在實際應用中更加可靠。

　　5. LM358典型應用：拓寬電路設計思路

　　LM358的通用性使其能夠應用于多種電路配置，實現不同的功能。以下是一些常見的典型應用示例，它們展示了LM358的多功能性。

　　5.1 反相放大器

　　電路描述： 在反相放大器配置中，輸入信號連接到反相輸入端（IN-），同相輸入端（IN+）接地。一個反饋電阻R_f從輸出端連接到反相輸入端，一個輸入電阻R_in從信號源連接到反相輸入端。

　　功能： 實現信號的反相放大。輸出信號的極性與輸入信號相反。

　　增益公式： Av=?Rf/Rin。通過調整R_f和R_in的比例，可以精確控制放大倍數。

　　應用場景： 音頻放大、傳感器信號調理（需要反相的場合）、將高阻抗源轉換為低阻抗輸出等。

　　5.2 同相放大器

　　電路描述： 在同相放大器配置中，輸入信號連接到同相輸入端（IN+），反相輸入端（IN-）通過一個電阻R1連接到地，并從輸出端通過另一個電阻R2反饋到反相輸入端。

　　功能： 實現信號的同相放大。輸出信號的極性與輸入信號相同。

　　增益公式： Av=1+(R2/R1)。這種配置具有高輸入阻抗，非常適合用于緩沖或放大高阻抗信號源。

　　應用場景： 緩沖器（單位增益同相放大器，R2=0，R1=開路）、傳感器信號放大（尤其是電壓輸出型傳感器）、高阻抗信號隔離等。

　　5.3 電壓跟隨器（緩沖器）

　　電路描述： 電壓跟隨器是同相放大器的一種特殊情況，它將輸出端直接連接到反相輸入端（R2=0，R1=開路），輸入信號連接到同相輸入端。

　　功能： 輸出電壓等于輸入電壓，即增益為1。主要作用是提供高輸入阻抗和低輸出阻抗，實現阻抗匹配和電流隔離。它不改變信號的電壓大小，但允許高阻抗信號源驅動低阻抗負載，而不會使信號源過載。

　　應用場景： 阻抗匹配、緩沖弱信號源、隔離電路級聯、驅動長電纜等。

　　5.4 比較器

　　電路描述： 在比較器配置中，LM358通常工作在開環狀態（沒有負反饋）。一個參考電壓連接到其中一個輸入端，待比較的信號連接到另一個輸入端。

　　功能： 將兩個輸入電壓進行比較，輸出結果是高電平或低電平。當同相輸入電壓高于反相輸入電壓時，輸出高電平（接近VCC+）；當反相輸入電壓高于同相輸入電壓時，輸出低電平（接近VCC-或地）。雖然LM358可以作為比較器使用，但它通常不如專用的比較器芯片響應速度快，并且其輸出沒有專為比較器設計的推挽或開漏輸出。

　　應用場景： 閾值檢測、過壓/欠壓保護、零交叉檢測、電平轉換等。

　　5.5 有源低通/高通濾波器

　　電路描述： 通過在運放的反饋網絡中加入電容和電阻，可以構建各種有源濾波器。例如，在反相放大器或同相放大器的基礎上增加電容，可以形成一階或二階RC濾波器，利用運放的高增益特性改善濾波性能。

　　功能： 濾除特定頻率范圍的信號。低通濾波器允許低頻信號通過，衰減高頻信號；高通濾波器允許高頻信號通過，衰減低頻信號。有源濾波器相比無源濾波器（只使用R、C、L）具有更高的Q值、更陡峭的衰減特性，并且可以提供增益。

　　應用場景： 音頻信號處理（均衡器、音調控制）、電源去耦、傳感器信號預處理（去除高頻噪聲或低頻漂移）等。

　　5.6 加法器（求和放大器）

　　電路描述： 在反相放大器配置的基礎上，將多個輸入信號通過各自的電阻連接到反相輸入端。

　　功能： 將多個輸入信號加起來，并可能進行放大或反相。

　　應用場景： 混合多路音頻信號、將多個傳感器輸出相加、D/A轉換器（R-2R梯形網絡配合加法器）等。

　　5.7 積分器/微分器

　　電路描述： 積分器將電容放在反饋路徑中，電阻放在輸入路徑中；微分器則相反，電容放在輸入路徑中，電阻放在反饋路徑中。

　　功能： 積分器輸出與輸入信號的積分成比例，常用于波形生成、斜坡發生器。微分器輸出與輸入信號的微分成比例，用于檢測信號的變化率、尖峰檢測。

　　應用場景： 波形整形、斜坡電壓發生器、PID控制器中的積分和微分環節等。需要注意的是，簡單的積分器和微分器在實際應用中往往需要額外的電路來解決直流漂移和高頻噪聲問題。

　　6. LM358的重要特性與設計考量

　　在使用LM358或其他任何運算放大器時，了解其關鍵特性和一些設計上的考量至關重要，這能幫助您避免常見的錯誤并優化電路性能。

　　6.1 單電源供電能力

　　特性： LM358最大的特點之一就是支持單電源供電。這意味著它只需要一個正電源（VCC+）和一個地（GND）即可工作，無需負電源。這極大地簡化了電源設計，尤其是在電池供電或空間受限的應用中。

　　考量： 盡管LM358可以在單電源下工作，但其輸出電壓無法完全擺幅到電源軌。通常，輸出低電平不能完全達到GND（有幾十毫伏到幾百毫伏的飽和電壓），輸出高電平也不能完全達到VCC+（通常會比VCC+低1.5V到2V左右）。這意味著當您需要輸出信號精確地擺幅到電源軌時，LM358可能不是最佳選擇，或者需要通過特殊的偏置電路來解決。此外，在單電源供電下處理交流信號時，通常需要為輸入信號提供一個直流偏置點，使其圍繞在VCC+/2附近，以確保信號在整個運放的線性工作范圍內。

　　6.2 輸入共模電壓范圍

　　特性： 輸入共模電壓范圍是指運放輸入端可以承受的共模電壓范圍。LM358的輸入級設計允許其輸入電壓一直下降到地電位（或負電源軌）。

　　考量： 盡管LM358的輸入能夠接近地，但它不能高于VCC+太多。通常，輸入電壓必須在VCC-到VCC+-1.5V之間。超出這個范圍可能導致輸入級飽和，從而引起輸出失真或工作異常。對于需要輸入電壓超過電源軌的應用，需要采用特殊的輸入保護電路或選擇軌到軌（Rail-to-Rail）輸入型運放。

　　6.3 輸出擺幅限制

　　特性： 如前所述，LM358的輸出無法完全擺幅到電源軌。輸出低電平通常在0.005V到0.2V之間（取決于負載電流），而輸出高電平通常比VCC+低1.5V到2V。

　　考量： 在設計電路時，必須考慮到這個輸出擺幅限制。如果您的應用需要輸出信號精確地達到電源軌，例如驅動MOSFET或需要滿量程輸出的ADC，那么LM358可能不是最佳選擇。此時，可以考慮使用軌到軌輸出（Rail-to-Rail Output）的運算放大器。如果非要使用LM358，可能需要在輸出級增加額外的晶體管或使用電荷泵等技術來擴展輸出擺幅，但這會增加電路的復雜性。

　　6.4 壓擺率（Slew Rate）

　　特性： 壓擺率是指運放輸出電壓的最大變化速率，通常以V/μs（伏特每微秒）表示。LM358的壓擺率相對較低，典型值為0.5V/μs。

　　考量： 低壓擺率意味著LM358在處理快速變化的信號時可能會出現失真，特別是對于高頻大信號。如果輸入信號的變化速度超過了運放的壓擺率，輸出將無法跟上輸入，導致波形失真（稱為壓擺率限制）。對于音頻信號、高速數據傳輸或脈沖信號處理等應用，需要選擇具有更高壓擺率的運放。在低頻或直流應用中，壓擺率通常不是一個重要問題。

　　6.5 增益帶寬積（Gain Bandwidth Product, GBP）

　　特性： 增益帶寬積是衡量運放帶寬性能的重要參數。它表示當運放的電壓增益為1時，其信號帶寬（-3dB頻率）的值。LM358的GBP典型值為0.7MHz至1MHz。

　　考量： GBP是一個常數，意味著運放的增益和帶寬是相互制約的。如果需要高增益，那么運放的帶寬就會相應減小；反之，如果需要高帶寬，那么增益就會相應減小。例如，如果一個LM358的GBP是1MHz，當它配置成增益為10的放大器時，其帶寬將只有100kHz。在設計高頻電路時，必須仔細考慮增益帶寬積，確保在所需增益下有足夠的帶寬。

　　6.6 輸入偏置電流與輸入失調電壓

　　特性：

　　輸入偏置電流： 流入或流出運放輸入端的微小直流電流。

　　輸入失調電壓： 即使輸入端電壓完全相等，運放輸出也可能不為零的電壓。

　　考量： 這兩個參數會影響運放的直流精度。輸入偏置電流流過輸入電阻時會產生額外的電壓降，導致輸出誤差。輸入失調電壓直接疊加到輸入信號上，也會引起輸出誤差。對于精密直流放大或測量應用，需要選擇具有低輸入偏置電流和低輸入失調電壓的運放。LM358在這方面表現一般，對于高精度應用，可能需要外部校準或選擇更高級的運放。

　　6.7 噪聲特性

　　特性： 任何電子元件都會產生內部噪聲，運放也不例外。噪聲會疊加到信號上，降低信噪比。

　　考量： 在處理微弱信號時，運放的噪聲特性非常關鍵。LM358的噪聲性能中等。在設計低噪聲電路時，需要考慮運放的等效輸入噪聲電壓和等效輸入噪聲電流，并采取措施（如選擇低噪聲運放、合理設置電阻值、使用濾波電路）來最小化噪聲的影響。

　　6.8 電源去耦

　　重要性： 無論使用何種運放，在其電源引腳附近放置一個小的陶瓷去耦電容（通常為0.1μF或0.01μF）到地是非常重要的。

　　功能： 去耦電容的作用是提供一個低阻抗的本地儲能，濾除電源線上的高頻噪聲，防止噪聲通過電源線耦合到運放內部，并為運放提供瞬時電流，從而確保運放的穩定工作和最佳性能。缺乏有效的電源去耦可能導致振蕩、噪聲增加或性能不穩定。

　　7. 總結與展望

　　LM358作為一款經典、經濟且通用的雙運算放大器，在電子設計領域占據著不可或缺的地位。它以其單電源供電能力、易用性和穩定性，成為許多模擬電路設計者的首選。從簡單的放大、濾波到復雜的信號處理，LM358都能以其獨特的優勢發揮作用。

　　7.1 LM358的優勢

　　成本效益： LM358價格低廉，使得它在預算有限的項目中極具吸引力。

　　單電源工作： 無需雙電源即可工作，簡化了電源設計，適用于電池供電系統。

　　廣泛可用性： 作為一款標準產品，LM358易于獲取，有眾多制造商生產。

　　多功能性： 兩個獨立的運放單元，允許在一個芯片上實現多種功能。

　　易于使用： 引腳功能清晰，應用電路成熟，資料豐富，適合初學者學習和使用。

　　7.2 LM358的局限性

　　輸出擺幅有限： 無法實現真正的軌到軌輸出，這在某些需要大動態范圍或完全擺幅的應用中是一個缺點。

　　壓擺率較低： 不適合處理高速、高頻或快速變化的信號。

　　噪聲性能一般： 在處理微弱信號的精密應用中，其噪聲可能是一個問題。

　　直流精度： 輸入偏置電流和失調電壓相對較高，對高精度直流放大有限制。

　　7.3 未來展望與替代選擇

　　盡管LM358具有上述局限性，但它依然是許多非精密、低成本應用的理想選擇。然而，隨著技術的發展，市場上出現了更多高性能的運算放大器，它們能夠克服LM358的這些不足。例如：

　　軌到軌運放： 如果需要輸出能夠擺幅到電源軌，可以選擇LM321（單運放）、LM324（四運放）或其他專用的軌到軌運放，例如MCP6001/2/4系列。

　　高速運放： 對于高頻信號處理，可以選擇具有更高壓擺率和增益帶寬積的運放，如OPA系列（OPA2134、OPA627等）。

　　低噪聲運放： 對于精密測量和微弱信號放大，可以選擇專門優化噪聲性能的運放，如AD797、LT1028等。

　　低功耗運放： 對于電池供電的超低功耗應用，有專門的低功耗運放可供選擇，如TLV系列。

　　結語

　　LM358不僅僅是一款芯片，更是理解運算放大器工作原理和應用技巧的絕佳入門。通過深入學習其引腳功能、內部結構和典型應用，您將能夠掌握模擬電路設計的基礎。在實際應用中，根據具體需求權衡LM358的優勢和局限性，并根據需要選擇更適合的運算放大器，是每位電子工程師必備的技能。希望這份詳盡的介紹能為您在LM358的應用和理解上提供全面的幫助。