1. Mengapa LM358 ada di mana-mana

LM358 ialah penguat operasi dwi yang berfungsi daripada bekalan tunggal, berharga sen, dan bertolak ansur dengan input hingga ke rel negatif. Kombinasi itu menjadikannya penguat lalai untuk pengkondisian sensor, penderiaan arus dan kerja isyarat am dalam produk sensitif kos.

Hadnya juga sama terkenal: lebar jalur gandaan 1 MHz, kadar slew yang perlahan, beberapa milivolt offset, dan output yang berhenti kira-kira 1.5 V di bawah rel positif. Semua itu tidak penting jika reka bentuk ditulis berdasarkan had tersebut.

Masalah penggantian bermula apabila pereka menganggap "op-amp dwi, 8 pin" bermaksud boleh ditukar ganti. Dalam kategori ini, julat input dan output lebih penting daripada susunan pin, dan perbezaannya tidak kelihatan pada skematik.

2. Apa yang sebenarnya dilakukan oleh bahagian ini

Peringkat input ialah pasangan PNP, yang membolehkan julat mod sepunya melanjut ke bekalan negatif — selalunya beberapa ratus milivolt di bawahnya. Itulah sebabnya LM358 popular untuk penderiaan arus sisi rendah: input berada berhampiran bumi, dan penguat masih berfungsi.

Peringkat output ialah pengikut pemancar kelas AB. Ia boleh menyerap dan membekalkan arus sederhana, tetapi ia tidak boleh menarik output lebih dekat daripada kira-kira 1.5 V ke rel positif, dan ia mempunyai kawasan silangan berhampiran bumi yang menambah herotan.

Kawasan silangan itulah sebabnya reka bentuk audio mengelakkan komponen ini dan sebabnya reka bentuk DC ketepatan kadangkala melihat ketaklinearan kecil pada aras output rendah. Ia ciri sebenar, bukan kecacatan.

Satu perincian praktikal: LM358 ditentukan untuk operasi bekalan tunggal, tetapi ia juga berfungsi pada bekalan terbelah. Reka bentuk yang beralih daripada ±5 V kepada rel 5 V tunggal selalunya mengekalkan komponen yang sama dan mendapati julat input tidak lagi meliputi isyarat, kerana rel negatif kini ialah bumi dan isyarat berayun di bawahnya.

3. Keluarga dan jirannya

LM358B ialah pengganti terus yang paling berguna: susunan pin sama, offset dan lebar jalur dipertingkatkan, serta had input dan output yang sama, jadi litar di sekelilingnya tidak perlu diubah.

Arus pincang input ialah nombor kelima yang wajar diperiksa untuk sumber impedans tinggi. Input bipolar LM358 menarik nanoamp, yang kecil tetapi bukan sifar; merentasi rintangan sumber 1 MΩ ia menjadi milivolt offset. Bahagian CMOS dengan arus pincang pikoamp menghapuskan ralat itu, sebab itulah bahagian hadapan sensor sering beralih kepada CMOS.

Empat nombor yang menentukan penggantian

Sebahagian besar helaian data boleh diabaikan untuk keputusan pertukaran. Empat nombor membawa hampir keseluruhan risiko.

Julat mod sepunya masukan.Dinyatakan relatif kepada bekalan, selalunya sebagai "V− hingga V+ − 1.5 V". Jika litar beroperasi berhampiran rel positif, komponen yang berhenti lebih awal akan menjenuhkan peringkat masukan.

Ayunan voltan keluaran.Dinyatakan pada arus beban. Komponen yang berayun sehingga dalam 50 mV daripada rel pada 1 mA mungkin hanya mencapai 500 mV pada 20 mA.

Produk gandaan-lebar jalur.Menetapkan lebar jalur gelung tertutup untuk gandaan tertentu. Menggandakannya mengubah margin kestabilan dalam susun atur sedia ada.

Arus kuiesen setiap penguat.Komponen bipolar menarik miliamp; komponen CMOS menarik mikroamp. Dalam produk bateri, ini boleh mendominasi bajet.

Jika keempat-empatnya sepadan, penggantian biasanya selamat. Jika mana-mana berbeza, litar perlu disemak sebelum komponen itu ditempah.

4. Perkara yang perlu disemak sebelum penggantian

Dua baris pertama ialah yang menyebabkan kegagalan. Alternatif rail-to-rail kedengaran lebih baik secara mutlak, tetapi peringkat masukannya mungkin tidak berfungsi pada rel negatif, iaitu tepat tempat reka bentuk penderiaan arus sisi rendah berada.

Pincangan bekalan tunggal dan bumi maya

Penguat kendalian pada bekalan tunggal tidak boleh menguatkan isyarat bipolar tanpa rujukan. Reka bentuk mencipta bumi maya pada separuh bekalan dengan pembahagi dan kapasitor, kemudian merujuk isyarat kepadanya.

Julat masukan LM358 membantu di sini: pembahagi boleh berada hampir dengan bumi, dan penguat masih berfungsi. Julat outputnya merugikan: isyarat yang dikuatkan mesti kekal di bawah V+ tolak kira-kira 1.5 V, yang mengehadkan ayunan boleh guna.

Komponen rail-to-rail menghapuskan had siling itu tetapi mengubah tingkah laku titik pincang, kerana peringkat masukannya mungkin tidak tahan terhadap rel negatif. Menukar komponen tanpa mengira semula rangkaian pincang ialah punca biasa bagi "ia berfungsi tetapi bacaannya tidak tepat".

5. Kes penderiaan arus sisi rendah

Litar biasa meletakkan perintang shunt antara beban dan bumi, serta menguatkan voltan kecil merentasinya. Input penguat berada dalam lingkungan milivolt daripada bumi, dan output memacu ADC.

LM358 mengendalikan bahagian input dengan baik: peringkat input PNPnya bertoleransi dengan rel negatif. Bahagian output ialah masalahnya: pada arus rendah output hampir kepada bumi, dalam kawasan persilangan, di mana gandaan dikurangkan dan herotan muncul. Hasilnya ialah bacaan tak linear pada bahagian bawah julat.

Terdapat dua pembetulan. Tambah offset kecil supaya output tidak pernah berada pada titik persilangan, atau gunakan komponen CMOS rail-to-rail dengan output linear hampir kepada bumi. Yang pertama mengekalkan LM358 dan hanya memerlukan satu perintang; yang kedua menukar komponen.

Penyalahgunaan komparator

LM358 kadangkala digunakan sebagai komparator kerana murah dan mudah diperoleh. Ia berfungsi, dengan beberapa peringatan: tiada histeresis melainkan ditambah secara luaran, tindak balas perlahan, dan risiko penyongsangan fasa apabila input turun di bawah rel negatif.

Untuk ambang perlahan dengan isyarat bersih, ia boleh diterima. Untuk apa-apa yang pantas atau bising, pembanding khusus dengan histeresis dan output push-pull ialah komponen yang betul, dan kosnya sedikit lebih tinggi.

Sudut penggantian adalah penting: menggantikan op-amp dengan pembanding dalam soket bukan penggantian terus. Susunan pin berbeza, peringkat output berbeza, dan litar di sekelilingnya berubah.

Varian pakej tidak boleh saling tukar ganti dalam arah yang lain: komponen DIP-8 tidak akan muat pada corak tapak SOIC-8, dan perbezaan dual-quad (LM324) mengubah bilangan pin. Semak pakej sebelum spesifikasi elektrik, kerana komponen yang tidak muat tidak akan sampai ke bangku uji.

6. Rail-to-rail bukan satu perkara

"Rail-to-rail" menerangkan input, output atau kedua-duanya, dan pengeluar tidak selalu tepat. Tiga kombinasi penting.

Input ke rel negatif sahaja.Kelas LM358. Baik untuk penderiaan sisi rendah, kurang baik untuk penderiaan sisi tinggi berhampiran V+.

Keluaran rel-ke-rel.Keluaran boleh menghampiri kedua-dua rel, tetapi julat input mungkin masih tidak mencapai salah satu daripadanya.

I/O rel-ke-rel sebenar.Kedua-dua belah mencapai rel, biasanya dengan peringkat input CMOS. Sebagai pertukaran, hingar lebih tinggi dan, kadangkala, had bekalan lebih rendah.

Baca syarat yang dilampirkan pada dakwaan rel-ke-rel: ia selalunya dinyatakan pada voltan bekalan dan arus beban tertentu, bukan merentasi keseluruhan julat.

Kadar slew dan lebar jalur isyarat besar

Angka gandaan-lebar jalur dalam helaian data terpakai untuk isyarat kecil. Komponen 1 MHz yang diminta mengayun beberapa volt pada 100 kHz akan terhad oleh kadar slew jauh sebelum lebar jalur: output semata-mata tidak dapat bergerak cukup pantas.

Kadar slew LM358 sederhana, menjadikannya sesuai untuk kerja DC dan frekuensi rendah serta tidak sesuai untuk gelung kawalan pantas atau video. Komponen CMOS rail-to-rail selalunya mempunyai kadar slew yang lebih tinggi pada lebar jalur yang sama, yang merupakan salah satu sebab ia boleh menjadi pilihan lebih baik walaupun lebar jalurnya sepadan.

Semasa menggantikan, bandingkan kadar slew pada kapasitans beban sebenar. Penguat yang lebih pantas memacu beban kapasitif besar boleh berayun, jadi pertukaran itu bukan satu arah.

Memacu ADC atau kabel

Op-amp yang memacu ADC melihat kapasitor pensampelan bersuis; yang memacu kabel melihat kapasitans dan kemungkinan pengambilan frekuensi radio. Kedua-dua beban boleh menggugat kestabilan komponen yang stabil di bangku dengan prob skop.

Pembetulan standard ialah perintang siri kecil pada output dan kapasitor ke bumi, membentuk penapis laluan rendah yang mengasingkan penguat daripada beban. Nilai bergantung pada masa pensampelan ADC dan lebar jalur yang diperlukan.

Jika bahagian yang diganti mempunyai impedans output berbeza atau margin fasa berbeza, perintang dan kapasitor yang sama mungkin tidak lagi mencukupi. Semak semula tindak balas langkah dengan beban sebenar, bukan prob 10 MΩ.

Pelan ujian

Bila untuk meninggalkan keluarga LM358

Tiga aplikasi mewajarkan komponen yang berbeza dan bukannya pengganti.

DC ketepatan.Ofset dalam julat milivolt terlalu besar untuk pengukuran shunt tanpa penentukuran. Penguat terstabil chopper ialah alat yang tepat.

Audio.Herotan silang output kelas-AB boleh didengar. Op-amp audio dengan peringkat output berbeza diperlukan.

Penderiaan sisi tinggi.Julat masukan tidak mencapai rel positif. Penguat penderia arus khusus dengan pembahagi masukan yang dipadankan ialah pilihan yang betul.

Dalam ketiga-tiga kes, jawapannya ialah litar yang berbeza, bukan komponen serasi pin. Mengenal pasti perkara itu lebih awal menjimatkan satu kitaran kelayakan.

Kualiti sumber kedua dalam keluarga ini berbeza dari segi voltan offset dan arus pincang masukan, bukan dari segi fungsi. Dua komponen boleh sama pin dan berbeza sebanyak faktor tiga dalam offset, yang penting untuk pengukuran DC dan tidak kelihatan dalam ujian AC.

Ukur offset pada sampel daripada setiap lot jika litar bergantung padanya, dan pastikan persediaan pengukuran mudah: penampan gandaan unit dengan masukan dibumikan akan menunjukkan offset secara terus.

Arus keluaran mempunyai had yang mudah dilupakan. LM358 boleh menyerap dan membekalkan puluhan miliamp, tetapi peringkat keluaran menjadi panas dan ayunan merosot pada arus yang lebih tinggi. Memacu LED, geganti atau kabel panjang secara terus biasanya satu kesilapan; tambah transistor atau penampan.

Penyahgandingan sama pentingnya seperti dalam mana-mana bahagian analog: 100 nF berhampiran pin bekalan, dan satah bumi di bawah pakej. Op-amp yang berayun pada 100 MHz biasanya masalah susun atur, bukan masalah komponen, dan menukar komponen jarang membetulkannya di lapangan.

8. Kos dan bekalan

Komponen bipolar ialah antara penguat termurah yang tersedia, dengan banyak sumber. LM358B yang dipertingkatkan berharga sedikit lebih mahal dan menghapuskan beberapa spesifikasi lebih lemah daripada asal; untuk reka bentuk baharu, ia pilihan lalai yang lebih baik.

Komponen CMOS rail-to-rail lebih mahal dan menarik arus jauh lebih rendah. Untuk produk berkuasa bateri, ia biasanya berbaloi; untuk produk berkuasa sesalur, perbezaannya jarang penting.

Beli daripada saluran yang boleh dijejaki. Ini ialah komponen volum tinggi dengan sejarah panjang peranti yang dilabel semula, dan op-amp dengan offset yang salah sukar dikesan dalam ujian fungsi, dan nombor lot ialah satu-satunya cara praktikal untuk mengasingkan kelompok yang rosak.

Reka bentuk contoh

Sistem bekalan tunggal 12 V perlu menguatkan isyarat shunt 0–100 mV kepada 0–3 V untuk ADC. Gandaan ialah 30, jadi komponen 1 MHz memberikan kira-kira 33 kHz lebar jalur gelung tertutup — mencukupi untuk gelung arus.

Input berada hampir dengan bumi, yang dikendalikan oleh LM358. Output mesti mencapai 3 V, jauh di bawah V+ tolak 1.5 V, jadi ayunan adalah memadai. Pada 0 mA output berada di kawasan persilangan, yang merupakan satu kelemahan; offset 10 mV pada input memastikan penguat tidak berada di situ.

Menggantikan LM358 dengan komponen rail-to-rail akan membolehkan ayunan output lebih besar, tetapi reka bentuk tidak memerlukannya. Menggantikannya dengan komponen CMOS akan menghapuskan ralat arus pincang, yang hanya penting jika rangkaian shunt berimpedans tinggi. Kedua-dua perubahan tidak diperlukan — dan itulah maksudnya: penggantian harus mengikut keperluan, bukan nombor terbaik dalam helaian data.

9. FAQ

Adakah LM358 rail-to-rail?

Tidak. Inputnya mencapai rel negatif, tetapi outputnya berhenti kira-kira 1.5 V di bawah rel positif.

Bolehkah saya menggantikan LM358 dengan MCP6002?

Serasi pin dan rel-ke-rel, tetapi peringkat input, lebar jalur dan julat bekalan berbeza. Sahkan litar, terutamanya pada rel negatif.

Apakah perbezaan antara LM358 dan LM2904?

Kebanyakannya gred suhu dan kelayakan; LM2904 ialah varian berorientasikan automotif.

Mengapakah bacaan penderiaan arus saya menjadi tidak linear pada arus rendah?

Output berada dalam rantau persilangan berhampiran bumi. Tambah offset atau gunakan peringkat output rel-ke-rel.

Bolehkah LM358 memacu ADC secara terus?

Boleh, tetapi semak impedans output dan kapasitor pensampelan ADC. Perintang bersiri dan kapasitor kecil selalunya diperlukan.

Adakah op-amp yang lebih pantas merupakan naik taraf yang selamat?

Tidak secara automatik. Lebar jalur yang lebih tinggi boleh berayun dalam susun atur yang direka untuk 1 MHz. Semak kestabilan dengan beban sebenar.

Bolehkah LM358 digunakan untuk audio?

Ia boleh menyampaikan audio, tetapi output kelas AB menambah herotan silang dan lebar jalurnya terhad. Untuk produk yang mementingkan kualiti bunyi, gunakan op-amp audio yang direka untuk tujuan itu.

10. Sumber

• Dokumentasi TI LM358 dan LM358B:ti.com
• Dokumentasi Microchip MCP6002:microchip.com
• Portofolio op-amp ST:st.com