LM358 — операционный усилитель общего назначения¶

LM358 — интегральная микросхема, содержащая два независимых операционных усилителя (ОУ) общего назначения, предназначенных для работы с однополярным питанием. Разработана компанией National Semiconductor (ныне подразделение Texas Instruments) в начале 1970-х годов и стала одним из самых массовых и широко распространённых операционных усилителей в истории электроники благодаря низкой стоимости, простоте применения и широкому диапазону питающих напряжений.

¶История и производители

Схема LM358 была представлена в 1972 году. Архитектурно она является развитием более раннего ОУ LM2904 и, в свою очередь, послужила основой для множества клонов и модификаций. Изначально микросхема выпускалась в металлостеклянном корпусе TO-99, однако массовое распространение получила в дешёвых пластиковых корпусах DIP-8 и SOIC-8.

Патентная защита на оригинальную схему давно истекла, поэтому LM358 производят десятки компаний по всему миру, включая Texas Instruments, STMicroelectronics, ON Semiconductor, Diodes Incorporated и многих других. В России и странах бывшего СССР выпускались отечественные аналоги: 1401УД2, 1401УД2А и 1401УД2Б (бескорпусные варианты — 1401УД2Т). Китайские производители, такие как HGSEMI и UMW, также выпускают многочисленные клоны этой микросхемы.

¶Конструкция и цоколёвка

Микросхема LM358 выпускается в 8-выводных корпусах. Стандартная цоколёвка для корпуса DIP-8 следующая:

• Вывод 1 — выход усилителя A;
• Вывод 2 — инвертирующий вход усилителя A;
• Вывод 3 — неинвертирующий вход усилителя A;
• Вывод 4 — отрицательное питание (земля при однополярном питании);
• Вывод 5 — неинвертирующий вход усилителя B;
• Вывод 6 — инвертирующий вход усилителя B;
• Вывод 7 — выход усилителя B;
• Вывод 8 — положительное питание.

Существуют также варианты в корпусах SOIC-8, SOP-8, TSSOP-8 и DIP-14 (сдвоенный вариант LM358N в 14-выводном корпусе встречается реже, чем два отдельных ОУ в одном корпусе). Внутренняя схема каждого усилителя включает входной дифференциальный каскад на биполярных транзисторах с p-n-p структурой на входе, что позволяет входным напряжениям достигать уровня отрицательной шины питания (обычно земли).

¶Основные характеристики

Ключевые электрические параметры LM358 (при типичном напряжении питания 5 В, если не указано иное):

• Диапазон питающих напряжений: от 3 В до 32 В при однополярном питании, либо от ±1,5 В до ±16 В при двуполярном.
• Потребляемый ток: низкий, около 0,5 мА на один усилитель, что делает микросхему пригодной для батарейного питания.
• Входной ток смещения: относительно высокий для ОУ общего назначения — порядка 100–250 нА, что ограничивает применение в высокоомных цепях.
• Входное напряжение: синфазное входное напряжение включает отрицательную шину питания (может опускаться до неё), но не достигает положительной шины (ограничено примерно Vcc — 1,5 В).
• Выходное напряжение: выходной каскад может выдавать напряжение до положительной шины питания (режим «rail-to-rail» по выходу), но не может опускаться ниже примерно 20 мВ от отрицательной шины (не полностью «rail-to-rail» по отрицательному выходу).
• Коэффициент усиления по напряжению: типичное значение около 100 дБ (100 000 раз).
• Полоса пропускания: единичное усиление достигается на частоте около 1 МГц (в зависимости от производителя и конкретной модификации).
• Скорость нарастания выходного напряжения: низкая, около 0,3–0,5 В/мкс, что ограничивает работу на высоких частотах.

Существуют улучшенные версии, например LM358A, LM358B, LM2904, отличающиеся несколько лучшими характеристиками (меньший входной ток, более высокая скорость нарастания). Также выпускаются версии с пониженным напряжением питания (например, LMV358, работающий от 2,7 В).

¶Применение

Благодаря сочетанию низкой цены, надёжности и универсальности, LM358 применяется в огромном количестве устройств:

• Усилители сигналов: в качестве усилителя звуковой частоты (с ограниченным качеством), предварительного усилителя, буферного каскада.
• Активные фильтры: построение фильтров нижних и верхних частот, полосовых фильтров в измерительной и аудиоаппаратуре.
• Компараторы: использование ОУ без обратной связи для сравнения двух напряжений. Однако стоит учитывать, что LM358 не является специализированным компаратором и имеет относительно медленный выход из насыщения.
• Генераторы сигналов: на основе LM358 строят генераторы прямоугольных, треугольных и синусоидальных колебаний (мультивибраторы, генераторы на мосте Вина).
• Источники опорного напряжения и стабилизаторы: включение по схеме повторителя напряжения для создания стабильного опорного напряжения.
• Преобразователи ток-напряжение: в схемах фотодиодов, датчиков Холла и других датчиков с токовым выходом.
• Управление нагрузкой: в схемах ШИМ-регуляторов, драйверов светодиодов, реле и транзисторных ключей.
• Измерительные мосты: для усиления сигнала с тензодатчиков и резистивных мостовых схем.

¶Особенности использования

При проектировании устройств на LM358 необходимо учитывать её ограничения. Из-за наличия на входе p-n-p транзисторов входной ток смещения может составлять десятки и сотни наноампер, что вносит значительную ошибку при работе с высокоомными источниками сигнала. Выходной каскад класса AB не может обеспечить полный размах выходного напряжения до отрицательной шины питания, что требует учёта при построении однополярных схем. Также микросхема не предназначена для работы с высокочастотными сигналами свыше нескольких сотен килогерц.

¶Значение и популярность

LM358 является одной из самых продаваемых микросхем в истории. Её популярность обусловлена сочетанием низкой стоимости (часто менее 10 рублей за штуку при оптовых закупках), простоты включения и широкого диапазона питающих напряжений. Она стала стандартом для обучения электронике, любительских конструкций и массовой бытовой техники. Несмотря на появление множества более совершенных и современных операционных усилителей, LM358 продолжает оставаться востребованной в промышленности и радиолюбительской практике благодаря своей проверенной временем надёжности и доступности.