При разработке электронных схем с применением операционных усилителей (ОУ) определенное неудобство вызывает необходимость иметь блок питания с двухполярным напряжением на выходе. Эти неудобства особенно заметны при попытках модернизации существующих электронных устройств, если в них надо добавить узел на ОУ – иногда требуется глубокая переделка системы электроснабжения. В этих случаях совершенно необходим операционный усилитель, которому для питания требуется однополярное напряжение.
Внешний вид, назначение, области применения
В подобных ситуациях хорошим решением может стать применение микросхемы LM358. В одном корпусе она содержит два независимых операционных усилителя с общей схемой питания, для которых требуется однополярное напряжение.
При необходимости микросхему можно запитать и от двухполярного источника. Никаких дополнительных цепей для этого не потребуется.
Выпускается микросхема в нескольких вариантах корпусов. Все оболочки содержат 8 выводов. Для «дырочного» монтажа предназначен корпус DIP-8, остальные – для поверхностного монтажа (SMD).
LM358 используется для построения электронных узлов, которые выполняются на операционных усилителях:
- инвертирующих и неинвертирующих усилителей, повторителей;
- компараторов;
- генераторов;
- активных фильтров;
- интеграторов;
- дифференциаторов;
- других стандартных схем, в которых могут быть применены ОУ.
Эти узлы могут применяться в бытовой или промышленной аппаратуре в соответствии с условиями эксплуатации, определенными производителем и указанными в datasheet.
Основные параметры
Основная характеристика, которая выделяет микросхему среди других операционных усилителей, это напряжение питания. Оно может быть как однополярным в пределах 3..32 вольт, так и двухполярным в пределах ±1,5..16 вольт.
Малое значение наименьшего напряжения питания тоже является особенностью (и достоинством) микросхемы.
Из важных параметров следует еще отметить максимальную рабочую частоту – 1,1 МГц. Прочие характеристики микросхемы LM358 соответствуют классу стандартных ОУ широкого потребления. Так, входное сопротивление микросхемы характерно для ОУ с биполярными транзисторами, и типичное значение входного тока составляет 3..5 наноампер. На выходе каждый ОУ микросхемы может выдать по 40 мА (максимум 60 мА).
Datasheet
Остальные параметры, включая температурные зависимости, можно посмотреть в даташите.
Распиновка
Расположение выводов в любом корпусе для микросхемы одинаково:
- Выход ОУ1.
- Инвертирующий вход ОУ1.
- Неинвертирующий (прямой) вход ОУ1.
- GND при однополярном питании, Vcc- при двухполярном.
- Прямой вход ОУ2.
- Инвертирующий вход ОУ2.
- Выход ОУ2.
- Vcc+ (плюс питания).
Можно использовать как сразу оба операционных усилителя, так и один из них.
Принцип работы LM358 и описание основных компонентов
Как любой операционный усилитель, LM358 усиливает разницу между прямым и инвертирующим входами. Пределы усиления ограничены напряжением питания ОУ.
Структурная схема этой микросхемы не отличается от стандартной:
- на входе установлен дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах, формирующий сигнал, пропорциональный разнице между входами;
- усилитель напряжения усиливает и масштабирует эту разницу;
- усилитель мощности служит для подачи сформированного сигнала на нагрузку.
Особенность LM358 в том, что внутри ее эта структура размещена дважды, а также надо обратить внимание на наличие дополнительной схемы смещения (общей для двух ОУ). Именно эта схема обеспечивает работоспособность микросхемы при питании от однополярного источника.
Преимущества и недостатки микросхемы
Преимуществом LM358 является не только однополярное питание. Микросхема может работать при очень низком напряжении (3 вольта при однополярном напряжении и ± 1,5 вольт при двухполярном). Также к плюсам надо отнести наличие двух операционных усилителей в одном корпусе и при этом очень низкую стоимость.
К недостаткам можно отнести, пожалуй, посредственные электрические характеристики и возможность эксплуатации только при положительных температурах. Но все равно, соотношение цены и качества получается очень хорошим.
Чем отличаются LM358N и LM358P
К обозначению микросхемы производители зачастую добавляют буквенный индекс. Чаще всего в продаже можно встретить изделия LM358N и LM358P. В большинстве случаев (99,9+ процентов) этому различию можно не придавать внимания. Буквенный индекс означает тип корпуса (в данном случае – DIP-8), причем у разных производителей разные литеры могут указывать на одинаковые оболочки. Тем не менее, сравнивая datasheet различных фирм, удалось обнаружить некоторые (большей частью, микроскопические) различия в электрических параметрах:
| Характеристика | Потребляемый ток | Входной ток, нА | Входное напряжение смещения, мВ |
|---|---|---|---|
| LM358N | 800 uA | 45 | 3 |
| LM358P | 1 mA | 20 | 2,9 |
Есть отличия и в размерах корпуса (хотя декларируется одинаковый кейс DIP-8) по высоте, ширине и длине. Эти отличия имеют порядок десятых долей миллиметра, и на возможность монтажа не влияют – шаг между выводами стандартный (2,54 мм).
Чем можно заменить LM358 (аналоги)
У этой микросхемы есть полный отечественный аналог – К1053УД2. Кроме того, в номенклатуре отечественных микросхем имеется сдвоенный ОУ с односторонним питанием К1040УД1. Корпус и цоколевка полностью совпадают, но имеются некоторые отличия по электрическим параметрам. Основные из них приведены в таблице.
| Пределы напряжения питания К1040УД1, В | 3..30 |
| Коэффициент усиления | 50000 |
В большинстве случаев эти отличия не препятствуют замене одной микросхемы на другую. Также в качестве аналога декларируется микросхема К1401УД5 и, в определенной мере, счетверенный операционный усилитель К1401УД1. Но его корпус и цоколевка, само собой, отличаются.
Касательно зарубежных аналогов, надо помнить, что LM358 является изделием из линейки LMx58, в которую также входят:
- LM158;
- LM258;
- LM2904.
Эти ОУ имеют небольшие различия по электрическим параметрами и в большинстве случаев также являются взаимозаменяемыми.
Примеры схем на LM358
Cхема включения LM358 не отличается от схем для обычных операционных усилителей (с учетом индивидуальных параметров), но позволяет использовать две ключевые особенности:
- Два ОУ в одном корпусе.
- Однополярное питание.
Производитель в datasheet приводит примеры использования LM358.
Первая схема из даташита – источник образцового напряжения положительной полярности с выходным уровнем, который можно установить самостоятельно. В стандартной схеме применен интегральный стабилизатор на 2,5 вольта MC1403. На практике можно применить любой источник образцового напряжения (TL431, параметрический стабилизатор и т.п.) с выходным уровнем Ui. При этом На выходе ОУ можно установить напряжение, не меньшее Ui, исходя из соотношения V0=Ui(1+R1/R2).
Следующая схема, рекомендованная производителем – генератор синусоиды с мостом Вина в качестве обратной связи. Такой осциллятор характеризуется хорошей формой синусоиды и стабильностью частоты. Период колебаний задается элементами (резисторами и конденсаторами), из которых состоит мост Вина. На схеме даны значения номиналов пассивных элементов для частоты 1 кГц, для других частот параметры надо пересчитать.
На LM358 можно создать дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением. Напряжение на выходе зависит от разницы напряжений на входе. Выходной уровень можно масштабировать резисторами отрицательной обратной связи входных усилителей, а также резисторами между их выходами и входом оконечного дифференциального усилителя.
Используя частотно-зависимую обратную связь, можно построить активный полосовой фильтр. Для его выполнения производитель предлагает задаться значениями:
- центральной частоты f0;
- усилением на центральной частоте A;
- добротности Q.
Выбрав нужные цифры, можно рассчитать номиналы пассивных элементов по приведенным ниже формулам.
Проверка работоспособности
Как показано выше, микросхема имеет достаточно сложную структуру, поэтому проверить ее одним мультиметром нельзя. Максимум, что может получиться – это проверить исправность коллекторных переходов транзисторов или отсутствие короткого замыкания между выходом и минусом питания. Это не дает достоверной информации о работоспособности микросхемы, поэтому единственный способ проверить ее исправность – собрать какую-нибудь схему. Удобнее всего собирать генератор (для проверки работы любого усилителя потребуется внешний источник сигнала).
Оптимальным вариантом выглядит схема функционального генератора из datasheet производителя. Она содержит не так много дополнительных элементов и позволяет задействовать обе половинки микросхемы. Подав питание на схему, осциллографом можно проверить наличие треугольных импульсов на выходе ОУ1 с частотой, зависящей от примененных резисторов и конденсаторов, и прямоугольных импульсов на выходе второго операционного усилителя. Если импульсы отсутствуют, микросхему можно считать неисправной.
На приведенной схеме показана необходимость подачи напряжения Vref, равного половине напряжения питания. Его можно организовать с помощью резистивного делителя.
Можно резюмировать, что LM358 является очень неплохим изделием для своего класса. Если не ожидать от нее заоблачных характеристик, свою стоимость микросхема отрабатывает полностью.
