LM358是廣泛使用的雙運算放大器，屬于比較基礎的模擬電子元件之一。它被廣泛應用于放大電路、濾波器、差分放大器等各種電子應用中。LM358具有低功耗、單電源工作、低偏置電流等特點，適用于各種需要高增益、高穩定性的應用。本文將詳細介紹LM358放大電路的工作原理、設計方法、常見應用及實際電路設計示例。

一、LM358運算放大器基本介紹

LM358是一款由德州儀器（Texas Instruments）推出的低功耗雙運算放大器，它可以在單電源電壓下工作，其工作電壓范圍通常為3V到32V，適合低電壓系統使用。LM358的內部設計使其具備了低輸入偏置電流、較低的輸入失調電壓等特點，非常適合用來構建各種模擬信號的放大電路。

LM358通常有兩個運算放大器模塊，每個模塊的輸入端具有正負兩端，輸出端輸出一個電壓信號。在常規的應用中，我們常常用它來構建信號放大、比較、濾波等電路。

二、LM358放大電路的基本原理

運算放大器（Op-Amp）一般用于對輸入信號進行放大。在放大電路中，信號通常通過輸入端（通常是反向輸入端或者非反向輸入端）傳入，經過運算放大器的增益處理后，輸出一個放大的信號。LM358作為運算放大器的核心，其工作原理基本符合所有運算放大器的基本特性。

1. 運算放大器的基本工作原理

運算放大器的作用是使得兩個輸入端的差分電壓（即反向輸入和非反向輸入之間的電壓差）產生一個放大輸出。為了實現這種放大效果，運算放大器通常具備非常高的開環增益。在實際應用中，通常會將運算放大器配置為反饋回路，從而得到穩定的增益控制。

LM358的內部電路包括高增益的放大級，常見的反饋配置有反向放大和非反向放大。我們通過改變反饋電阻來調節增益，使得輸出信號的幅度比輸入信號的幅度大。

2. 反饋回路的作用

為了控制運算放大器的增益，通常使用反饋回路。反饋回路通過將輸出信號的一部分反饋到輸入端，控制放大器的增益。反饋可以是負反饋或正反饋：

• 負反饋：通過將輸出信號反饋到反向輸入端，能夠穩定增益并降低非線性失真。負反饋是大多數運算放大器應用中常見的反饋方式。

• 正反饋：在某些特定應用中，比如比較器電路，會使用正反饋來提高響應速度。

三、LM358放大電路設計

LM358常用的放大電路有兩種基本類型：反向放大電路和非反向放大電路。它們的設計原理稍有不同，但都可以通過調整反饋電阻來控制增益。

1. 反向放大電路設計

反向放大電路是運算放大器常見的配置之一。在反向放大電路中，輸入信號通過一個輸入電阻接入運算放大器的反向輸入端，而非反向輸入端接地。反饋電阻從輸出端連接到反向輸入端，形成負反饋回路。

反向放大電路的增益由輸入電阻和反饋電阻的比值決定。增益公式如下：

$$A = -frac{R_f}{R_{in}}$$A=?RinRf

其中，$R_f$Rf 是反饋電阻，$R_{in}$Rin 是輸入電阻。負號表示輸出信號是輸入信號的反相。

舉個例子，假設我們需要將輸入信號放大10倍，可以選擇反饋電阻為100kΩ，輸入電阻為10kΩ，則增益為：

$$A = -frac{100kOmega}{10kOmega} = -10$$A=?10kΩ100kΩ=?10

反向放大電路的特點是輸出信號相對于輸入信號有180度的相位差，即反向放大。

2. 非反向放大電路設計

非反向放大電路的輸入信號直接接入運算放大器的非反向輸入端，而反向輸入端則通過一個反饋電阻與輸出端連接。與反向放大不同，非反向放大電路的輸出信號與輸入信號相位相同。

非反向放大電路的增益公式為：

$$A = 1 + frac{R_f}{R_{in}}$$A=1+RinRf

其中，$R_f$Rf 是反饋電阻，$R_{in}$Rin 是輸入電阻。由于增益包含1，因此非反向放大電路的增益總是大于1。

例如，如果選擇反饋電阻為100kΩ，輸入電阻為10kΩ，則增益為：

$$A = 1 + frac{100kOmega}{10kOmega} = 11$$A=1+10kΩ100kΩ=11

這種配置適用于那些需要放大信號并保持相位不變的應用。

四、LM358放大電路的應用

LM358廣泛應用于各種放大電路中，以下是一些常見的應用場景：

1. 音頻放大電路

LM358被廣泛用于音頻放大電路中，尤其是在低功耗設備中。它的低噪聲特性使其適合處理微弱的音頻信號，并將其放大到足夠的電平，以驅動揚聲器或其他輸出設備。

例如，LM358可以用于音頻前級放大電路中，將麥克風輸出的低電平信號放大到功率放大器可以接受的電平。

2. 儀器放大電路

在許多儀器中，例如示波器、電壓表等，LM358常常被用作信號放大器。由于LM358具備較低的偏置電流和較好的增益穩定性，它能夠確保測量信號的準確性和穩定性。

3. 比較器電路

LM358還可以用作比較器電路的核心部件。在比較器模式下，LM358的反向輸入和非反向輸入端分別連接到參考電壓和輸入信號，當輸入信號大于或小于參考電壓時，輸出端會發生跳變。這種比較器電路常用于數字電路中進行信號比較。

4. 濾波器電路

在某些信號處理中，LM358可以用于構建低通、帶通、高通濾波器電路。通過適當選擇電阻、電容和反饋網絡，可以設計出濾波器電路，用于去除噪聲信號或選取特定頻段的信號。

五、LM358放大電路設計時的注意事項

在實際設計LM358放大電路時，需要注意以下幾點：

1. 輸入偏置電流

雖然LM358的輸入偏置電流較低，但仍然存在一定的偏置電流。在高精度電路設計中，需要考慮這一點，并在電路設計時進行補償。

2. 電源電壓

LM358的工作電壓范圍為3V至32V，因此在設計電路時，需要確保電源電壓在這個范圍內。同時，還要確保電源的噪聲水平較低，以避免對放大效果產生不良影響。

3. 輸出電壓擺幅

由于LM358的輸出電壓受限于電源電壓，因此輸出信號的擺幅通常小于電源電壓的最大值。在設計時，需要確保輸出信號的幅度不會超過運算放大器的工作范圍。

4. 增益穩定性

為了保證增益的穩定性，在設計放大電路時，必須合理選擇反饋電阻和輸入電阻的值。過高或過低的電阻值可能會導致增益的不穩定或噪聲的增大。

六、總結

LM358作為一種常見的雙運算放大器，憑借其低功耗、單電源工作以及穩定的增益特性，廣泛應用于放大電路中。通過合理的電路設計，我們可以利用LM358構建反向放大、非反向放大、比較器以及濾波器等各種電路。設計時需要特別注意輸入偏置電流、電源電壓和輸出電壓擺幅等問題，以確保電路的性能和穩定性。

LM358是一款功能強大且易于應用的元器件，對于學習和設計運算放大器電路有著非常重要的作用。