LM353 運算放大器簡介

　　LM353是一款由美國國家半導體公司（National Semiconductor，現已并入德州儀器Texas Instruments）生產的雙路JFET輸入型運算放大器。它設計用于對輸入阻抗要求較高、需要低輸入偏置電流的應用場景。JFET（結型場效應晶體管）輸入級賦予了LM353高輸入阻抗和低輸入偏置電流的特性，這使得它在處理高阻抗信號源時表現出色，例如在傳感器接口、精密儀器儀表以及某些音頻應用中。該器件的內部結構經過優化，確保了在寬電壓和溫度范圍內的穩定性和可靠性。其雙路配置意味著一個芯片內部集成了兩個獨立的運算放大器，這為設計者提供了靈活性，可以在一個封裝內實現復雜的信號處理功能，同時節省了電路板空間和成本。

　　LM353 引腳圖與功能

　　LM353通常采用標準DIP（雙列直插式封裝）或SOP（小外形封裝）等多種封裝形式，但無論何種封裝，其核心引腳功能都是一致的。以下將詳細介紹LM353在典型8引腳封裝下的引腳分布及其各自的功能。理解這些引腳的功能是正確使用LM353進行電路設計的關鍵。

　　引腳分布概述

　　以常見的8引腳DIP封裝為例，LM353的引腳通常按照逆時針方向從引腳1開始編號，當芯片頂部的缺口或圓點指示方向向上時。這種標準化編號方式使得設計者和工程師能夠快速識別和定位每個引腳。

　　具體引腳功能

　　引腳1：1 OUT (輸出1)

　　這是第一個運算放大器的輸出端。經過放大器內部電路處理后的信號會從這個引腳輸出。該引腳能夠提供一定的電流驅動能力，并將處理后的電壓信號傳遞給后續的電路級。在設計電路時，需要確保連接到此引腳的負載在LM353的輸出電流能力范圍內，并且通常需要考慮輸出端是否有合適的反饋網絡以實現特定的增益和穩定性。

　　引腳2：1 IN- (反相輸入1)

　　這是第一個運算放大器的反相輸入端。當施加到此引腳的電壓升高時，輸出電壓會下降（對于負反饋配置）。在大多數運算放大器的應用中，例如反相放大器、求和放大器等，輸入信號通常施加到這個引腳，并通過外部電阻網絡形成負反饋回路，以穩定放大器的增益和工作點。

　　引腳3：1 IN+ (同相輸入1)

　　這是第一個運算放大器的同相輸入端。當施加到此引腳的電壓升高時，輸出電壓也會升高。在非反相放大器、電壓跟隨器等應用中，輸入信號通常施加到這個引腳。同相輸入端與反相輸入端共同決定了放大器的差分輸入信號，并影響其輸出。JFET輸入級使得這兩個輸入引腳具有非常高的輸入阻抗，從而最大限度地減少了從信號源吸取的電流。

　　引腳4：V- (負電源)

　　這是LM353的負電源供電引腳。為了使運算放大器正常工作，此引腳必須連接到電路的負電源軌，例如地（GND）或負電壓（如-5V、-15V等）。正確的電源連接是確保芯片內部電路正常偏置、提供所需功率并達到其規定性能的關鍵。電源去耦電容（通常是0.1μF或更大）應盡可能靠近此引腳放置，以濾除電源線上的噪聲，提高電路的穩定性。

　　引腳5：2 IN+ (同相輸入2)

　　這是第二個運算放大器的同相輸入端，功能與引腳3完全相同，服務于芯片內部的第二個獨立的運算放大器。它用于接收第二個放大器的同相輸入信號，同樣具有高輸入阻抗特性。

　　引腳6：2 IN- (反相輸入2)

　　這是第二個運算放大器的反相輸入端，功能與引腳2完全相同，用于接收第二個放大器的反相輸入信號。通過連接適當的反饋網絡，可以實現第二個放大器的各種功能。

　　引腳7：2 OUT (輸出2)

　　這是第二個運算放大器的輸出端，功能與引腳1完全相同。它輸出第二個放大器處理后的信號。設計時同樣需要考慮負載和反饋網絡的匹配。

　　引腳8：V+ (正電源)

　　這是LM353的正電源供電引腳。此引腳必須連接到電路的正電源軌，例如+5V、+15V等。與負電源引腳類似，為了確保穩定運行，也應該在此引腳附近放置電源去耦電容，以旁路高頻噪聲和紋波，防止其干擾放大器的正常工作。

　　理解這些引腳的功能對于構建任何基于LM353的電路都至關重要。錯誤地連接引腳可能會導致芯片損壞、功能異常或性能下降。

　　LM353 的主要特性與優勢

　　LM353之所以在眾多運算放大器中占據一席之地，得益于其一系列優秀特性，這些特性使其在特定應用中表現出顯著的優勢。

　　JFET 輸入級

　　LM353最顯著的特點就是采用了JFET（結型場效應晶體管）作為其輸入級。與傳統的雙極型晶體管（BJT）輸入運算放大器相比，JFET輸入級具有以下幾個重要優勢：

　　超高輸入阻抗： JFET的柵極基本上是反向偏置的PN結，其輸入電阻非常高，通常高達 1012 歐姆。這意味著LM353從信號源汲取的電流極小，即輸入偏置電流非常低（通常在幾十皮安到幾百皮安范圍內）。這一特性使得LM353非常適合連接高輸出阻抗的傳感器（如pH電極、光電二極管等）或其他弱信號源，避免了信號源因負載效應而失真或衰減。在精密測量、數據采集和儀器儀表領域，這種高輸入阻抗是至關重要的。

　　低輸入偏置電流： 如上所述，由于高輸入阻抗，LM353的輸入偏置電流極低。輸入偏置電流是流入或流出運算放大器輸入端的微小電流，它會在輸入端的等效電阻上產生一個電壓降，從而導致輸出出現一個不希望的直流失調。對于需要直流耦合且對精度要求高的應用，極低的輸入偏置電流可以顯著減少這種失調電壓，提高測量精度。

　　低輸入失調電壓和失調電壓漂移： 盡管JFET輸入級的失調電壓可能不如一些精密雙極型放大器低，但LM353在設計上已對這些參數進行了優化。低輸入失調電壓意味著當輸入短路時，輸出端的直流電壓接近于零，這對于直流精度應用至關重要。而低失調電壓漂移則表示在溫度變化時，失調電壓的變化很小，確保了電路在不同環境條件下的穩定性。

　　寬電源電壓范圍

　　LM353能夠工作在較寬的單電源或雙電源電壓范圍內。例如，它可以工作在+5V單電源，也可以工作在 ±15V 的雙電源。這種靈活性使得它能夠適應各種不同的電源設計，簡化了電源管理，并且能夠兼容多種其他模擬集成電路的工作電壓。寬電源范圍也意味著它能夠處理較大動態范圍的輸入信號，并提供相應的輸出擺幅。

　　高增益帶寬積 (GBW)

　　盡管LM353并非超高速放大器，但其增益帶寬積（Gain Bandwidth Product, GBW）相對合理，使其能夠在音頻頻率和一些中低頻應用中提供良好的性能。GBW表示當增益為1時，放大器能夠響應的最高頻率。一個更高的GBW意味著在給定增益下，放大器能處理更高頻率的信號，或者在處理特定頻率信號時能夠提供更高的增益。LM353的GBW使其適用于需要中等帶寬的信號放大和濾波應用。

　　低噪聲特性

　　在許多精密應用中，噪聲是一個關鍵參數。LM353在設計上考慮了噪聲抑制，具有相對較低的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲。低噪聲特性確保了在放大微弱信號時，能夠最大限度地保留信號的完整性，而不是被放大器自身的噪聲所淹沒。這對于音頻前置放大器、傳感器信號調理等對信噪比要求較高的應用尤為重要。

　　短路保護輸出

　　LM353的輸出級通常設計有短路保護功能。這意味著即使輸出引腳意外短路到地或電源軌，芯片內部的限流電路也能防止過大電流流過，從而保護放大器本身免受損壞。這一特性提高了電路的魯棒性和可靠性，減少了在調試或意外情況下的風險。

　　低功耗

　　相對于一些高性能或高帶寬的運算放大器，LM353通常具有較低的靜態功耗。這使得它在電池供電應用或對功耗有嚴格要求的系統中具有優勢，有助于延長電池壽命或減少系統發熱。

　　綜合這些特性，LM353成為了一種功能全面、性能可靠的通用運算放大器，特別適用于那些對輸入阻抗、偏置電流和精度有較高要求的模擬信號處理場景。

　　LM353 的內部結構與工作原理

　　理解LM353的內部結構和工作原理，有助于我們更深入地掌握其特性并進行優化設計。雖然具體電路細節復雜，但我們可以將其分解為幾個主要的功能模塊。

　　差分輸入級 (JFET 輸入)

　　LM353的核心是其差分輸入級，它采用了匹配的JFET對。JFET輸入級是其高輸入阻抗和低偏置電流特性的來源。

　　工作原理： 一對匹配的JFET晶體管（例如N溝道JFET）的源極通過一個恒流源連接。當輸入信號施加到JFET的柵極時（柵極通常通過二極管或ESD保護電路連接到外部引腳，并反向偏置），會改變JFET的溝道電阻，從而改變通過它的漏極電流。由于JFET的柵極與溝道之間是反向偏置的PN結，因此幾乎沒有電流流過柵極，這導致了極高的輸入阻抗和極低的輸入偏置電流。

　　差分放大： 這兩個JFET構成了差分放大器，它們將同相輸入（IN+）和反相輸入（IN-）之間的電壓差轉換為一個電流差。這個電流差隨后被送入下一級進行放大。由于JFET對經過了精心匹配，因此在理想情況下，當兩個輸入端的電壓相同時，通過它們的電流也相同，從而最大限度地減少了輸入失調電壓。

　　第二級增益放大

　　從JFET輸入級輸出的差分電流或電壓信號會進入第二級增益放大器。這一級通常由雙極型晶體管（BJT）組成，負責提供大部分的電壓增益。

　　高增益： 這一級電路的設計目標是提供非常高的開環電壓增益，通常在幾十萬到數百萬倍之間。高開環增益是運算放大器能夠進行精確負反饋控制的基礎。

　　電平轉換： 在這一級中，還會進行電平轉換，以確保信號在后續的輸出級能夠正確地驅動。這可能涉及到將信號從差分形式轉換為單端形式，并調整其直流偏置點。

　　輸出級

　　輸出級是運算放大器的最后一級，它負責提供足夠的電流驅動能力，以將放大后的信號傳遞給負載。

　　AB類推挽輸出： LM353通常采用AB類推挽輸出級。這種設計在提供較高電流驅動能力的同時，能夠有效減少交越失真（crossover distortion），從而在信號接近零交叉點時保持良好的線性度。推挽結構意味著輸出級包含一對NPN和PNP晶體管（或NMOS和PMOS），它們分別負責提供正向和負向的輸出電流。

　　短路保護： 如前所述，輸出級通常集成了短路保護電路。當輸出電流超過預設閾值時，該電路會限制電流，防止芯片過熱或損壞。這通過限制輸出晶體管的基極電流或通過電流感應電阻來實現。

　　偏置電路與電源抑制

　　除了信號路徑，LM353內部還包含復雜的偏置電路和電源抑制電路。

　　偏置電路： 偏置電路負責為芯片內部的所有晶體管提供合適的工作點（即直流電流和電壓），確保它們在最佳線性區域工作，并提供穩定的電流源和電壓參考。

　　電源抑制： 運算放大器對電源電壓的變化具有一定的抑制能力，這由電源抑制比（Power Supply Rejection Ratio, PSRR）來衡量。內部的電源抑制電路旨在減少電源電壓波動對輸出信號的影響，提高放大器的穩定性。良好的電源抑制對于在嘈雜電源環境下保持電路性能至關重要。

　　頻率補償

　　為了確保在負反饋應用中的穩定性，運算放大器內部通常會集成頻率補償網絡。

　　目的： 運算放大器的高開環增益會導致相位滯后，如果在特定頻率下相位滯后達到180度且增益大于1，就會發生振蕩。頻率補償通過在內部引入一個或多個極點，有意地降低高頻增益，從而確保在增益為1時總的相位滯后小于180度，防止自激振蕩。

　　LM353的補償： LM353通常是內部補償的，這意味著用戶無需添加外部電容來確保穩定性。這種內部補償簡化了電路設計，使其更易于使用。補償電容通常連接在內部的某個高增益級之間，以創建主極點。

　　通過這些精心設計的內部模塊，LM353能夠實現其宣傳的高性能，為各種模擬應用提供穩定可靠的信號處理能力。

　　LM353 的典型應用電路

　　LM353作為一款通用型JFET輸入運算放大器，其應用范圍非常廣泛。以下是一些典型的應用電路示例，展示了LM353如何被用于實現不同的信號處理功能。

　　1. 非反相放大器

　　非反相放大器是最基本的運算放大器配置之一，它在保持輸入信號極性的同時對其進行放大。

　　電路構成： 輸入信號施加到LM353的同相輸入端（IN+），而反相輸入端（IN-）通過兩個電阻R1和R2連接到輸出端和地（或參考電壓），形成負反饋網絡。

　　工作原理： 運算放大器會努力使兩個輸入端的電壓保持相等（虛短路）。因此，IN-端的電壓會被拉高到與IN+端相同的電位。通過R1和R2構成的分壓器，輸出電壓Vout與IN-端的電壓V_IN-之間存在固定關系：V_IN?=Vout×R1+R2R1。由于 V_IN?=Vin，因此可以推導出輸出電壓增益：AV=VinVout=1+R1R2。

　　LM353的優勢： 由于LM353具有高輸入阻抗，它不會從輸入信號源汲取顯著電流，這對于高輸出阻抗的傳感器或信號源來說尤為重要，可以避免信號衰減。

　　2. 反相放大器

　　反相放大器將輸入信號放大，并使輸出信號的極性與輸入信號相反。

　　電路構成： 輸入信號通過一個輸入電阻Rin施加到LM353的反相輸入端（IN-）。同相輸入端（IN+）直接接地或連接到參考電壓。一個反饋電阻Rf連接在輸出端和反相輸入端之間。

　　工作原理： 同樣基于虛短路原理，IN-端的電壓會被拉到與IN+端相同的電位，即地電位（0V）。流過Rin的電流為 Iin=RinVin?0=RinVin。由于LM353的輸入偏置電流極低，幾乎所有流過Rin的電流都會流過Rf。因此，流過Rf的電流為 If=Rf0?Vout=?RfVout。由于 Iin=If，可以得到 RinVin=?RfVout，從而推導出輸出電壓增益：AV=VinVout=?RinRf。

　　LM353的優勢： 在需要將信號反相放大時，LM353的低輸入偏置電流確保了通過電阻網絡的電流主要由輸入信號決定，從而保證了增益的精確性。

　　3. 電壓跟隨器（緩沖器）

　　電壓跟隨器是一種特殊的非反相放大器，其增益為1。它主要用于阻抗匹配，將高阻抗源與低阻抗負載隔離開來。

　　電路構成： 輸出端直接連接到反相輸入端（反饋電阻Rf為0，輸入電阻Rin為無窮大）。輸入信號施加到同相輸入端（IN+）。

　　工作原理： 根據虛短路原理，輸出電壓將等于輸入電壓：Vout=Vin。

　　LM353的優勢： 電壓跟隨器充分利用了LM353的超高輸入阻抗和低輸出阻抗特性。它能夠從高阻抗信號源（如傳感器、麥克風等）提取信號，而不會對信號源造成負載效應，同時能夠驅動相對較低阻抗的負載。這在信號調理、緩沖、或需要將數字模擬轉換器（DAC）輸出與后續電路隔離的場合非常有用。

　　4. 有源低通/高通濾波器

　　LM353可以與其他無源元件（電阻、電容）結合，構建有源濾波器。有源濾波器相比無源濾波器具有增益、更高的Q值和更陡峭的衰減率。

　　低通濾波器示例： 通過在反相放大器或非反相放大器配置中引入電容，可以實現低通濾波功能，衰減高頻信號。例如，在反相放大器中，可以在反饋電阻Rf并聯一個電容Cf，形成一個一階低通濾波器。

　　高通濾波器示例： 類似地，通過串聯電容到輸入端，可以實現高通濾波功能，衰減低頻信號。

　　LM353的優勢： LM353的良好頻率響應和低噪聲特性使其適合在音頻或其他需要濾波的應用中構建高品質的有源濾波器。

　　5. 峰值檢測器

　　峰值檢測器用于捕捉并保持輸入信號的峰值電壓。

　　電路構成： 通常由運算放大器、二極管和電容組成。LM353用作緩沖器或比較器，二極管用于充電電容，電容保持峰值電壓。

　　工作原理： 當輸入電壓高于電容上的電壓時，LM353的輸出會驅動二極管導通，為電容充電。一旦輸入電壓開始下降，二極管反向偏置，電容上的電壓保持在峰值。

　　LM353的優勢： LM353的低輸入偏置電流在這里尤為重要，因為它確保了電容在充電后，其上的電壓不會因放大器輸入端的泄放電流而迅速下降，從而能夠長時間保持峰值電壓。

　　6. 傳感器接口電路

　　LM353是連接各種傳感器的理想選擇，尤其是那些輸出阻抗高或輸出信號微弱的傳感器。

　　應用示例：

　　pH計放大器： pH電極具有極高的內阻，LM353的高輸入阻抗可以完美匹配，避免信號損耗。

　　光電二極管跨阻放大器： 光電二極管在光照下產生微弱的電流，LM353可以配置為跨阻放大器（將電流轉換為電壓），將其轉換為可用的電壓信號。其低偏置電流有助于準確測量小電流。

　　熱電偶放大器： 熱電偶產生的電壓信號非常小，需要高增益和低噪聲放大器進行放大。LM353可以提供所需的增益，并結合冷端補償電路使用。

　　這些只是LM353眾多應用中的一小部分。憑借其獨特的JFET輸入特性，它在需要高精度、低偏置電流和高輸入阻抗的模擬電路設計中扮演著重要的角色。在設計任何電路時，始終建議參考LM353的官方數據手冊，以獲取最詳細和準確的電氣特性、絕對最大額定值和應用指南。