Каковы основные характеристики микросхем LM324 и LM358. Чем они отличаются друг от друга. Как правильно применять эти операционные усилители в схемах. Какие у них есть аналоги.
Основные характеристики микросхем LM324 и LM358
LM324 и LM358 — это популярные операционные усилители общего назначения, широко применяемые в различных электронных схемах. Рассмотрим их ключевые характеристики:
- LM324 содержит 4 независимых операционных усилителя в одном корпусе, LM358 — 2 усилителя
- Однополярное питание: 3-32 В
- Двухполярное питание: ±1.5 В до ±16 В
- Входной ток смещения: 45 нА (типовое значение)
- Коэффициент усиления по напряжению: 100 дБ
- Полоса пропускания: 1 МГц (при единичном усилении)
- Скорость нарастания выходного напряжения: 0.5 В/мкс
Микросхемы имеют защиту от короткого замыкания на выходе и внутреннюю частотную коррекцию. Благодаря широкому диапазону питающих напряжений они удобны для применения в портативной аппаратуре с батарейным питанием.
Основные различия между LM324 и LM358
Несмотря на схожую внутреннюю структуру, между LM324 и LM358 есть несколько важных отличий:
- Количество усилителей в корпусе:
- LM324 — 4 усилителя
- LM358 — 2 усилителя
- Тип корпуса:
- LM324 — DIP-14, SOIC-14
- LM358 — DIP-8, SOIC-8
- Максимальная рассеиваемая мощность:
- LM324 — 1130 мВт (для DIP корпуса)
- LM358 — 830 мВт (для DIP корпуса)
- Дрейф входного напряжения смещения:
- LM324 — 30 мкВ/°C (максимум)
- LM358 — 20 мкВ/°C (максимум)
Эти различия обусловлены в основном размером корпуса и количеством усилителей. По электрическим параметрам микросхемы практически идентичны.
Особенности применения LM324 и LM358 в схемах
При разработке схем на LM324 и LM358 следует учитывать некоторые важные особенности:
- Входное синфазное напряжение может быть на 0.3 В ниже отрицательного напряжения питания, что удобно при однополярном питании
- Выходное напряжение может приближаться к отрицательному напряжению питания в пределах 20 мВ
- Ток потребления практически не зависит от напряжения питания
- Усилители имеют внутреннюю защиту от короткого замыкания на выходе
- При работе на емкостную нагрузку возможна неустойчивость, для ее устранения нужно включать резистор 100-1000 Ом последовательно с выходом
Эти особенности позволяют использовать LM324 и LM358 во многих типовых схемах без дополнительных внешних компонентов.
Типовые области применения LM324 и LM358
Благодаря своей универсальности, LM324 и LM358 находят применение во многих электронных устройствах:
- Усилители постоянного тока
- Преобразователи напряжение-ток
- Интегрирующие и дифференцирующие усилители
- Активные фильтры
- Компараторы с гистерезисом
- Генераторы сигналов
- Устройства выборки-хранения
- Источники опорного напряжения
Микросхемы хорошо подходят для обработки сигналов датчиков, предварительного усиления в измерительной аппаратуре, аналоговых вычислительных схем.
Популярные аналоги LM324 и LM358
На рынке представлено множество операционных усилителей со схожими характеристиками. Наиболее близкими аналогами LM324 и LM358 являются:
- TL074 / TL072 — четверной/сдвоенный ОУ с полевыми транзисторами на входе
- MC33079 / MC33078 — четверной/сдвоенный малошумящий ОУ
- NE5534 / NE5532 — одиночный/сдвоенный ОУ с улучшенными шумовыми характеристиками
- OP07 / OP27 — прецизионные ОУ с низким смещением
- OPA2134 / OPA4134 — сдвоенный/четверной ОУ audiophile-класса
При выборе аналога следует учитывать конкретные требования схемы по шумам, скорости нарастания, входному току и другим параметрам.
Особенности применения LM324 и LM358 в аудиосхемах
Хотя LM324 и LM358 не относятся к специализированным аудиоусилителям, их иногда применяют в некритичных звуковых схемах. При этом нужно учитывать следующие моменты:
- Уровень собственных шумов довольно высок, что ограничивает применение в малошумящих предусилителях
- Недостаточная скорость нарастания может привести к искажениям на высоких частотах
- Выходной каскад класса AB создает заметные переходные искажения
- Для улучшения параметров рекомендуется использовать двухполярное питание
Для повышения качества звука в аудиосхемах на LM324/LM358 можно применить следующий прием: добавить резистор 3.3-10 кОм от выхода к отрицательному питанию. Это переведет выходной каскад в режим класса A и снизит нелинейные искажения.
Рекомендации по замене LM324 и LM358 на более современные аналоги
Несмотря на популярность, LM324 и LM358 имеют ряд недостатков по сравнению с современными операционными усилителями. При модернизации схем рекомендуется рассмотреть следующие варианты замены:
- Для малошумящих схем: OPA2134, NE5532, OPA1642
- Для быстродействующих схем: AD8656, LM6172, OPA2356
- Для прецизионных схем: OPA2277, OPA2188, AD8676
- Для схем с однополярным питанием: OPA2343, OPA2347, OPA170
При замене следует внимательно изучить datasheet нового усилителя и при необходимости скорректировать цепи питания и обвязки. Это позволит улучшить параметры схемы, сохранив ее функциональность.
Микросхема LM324: назначение выводов, характеристики, аналоги
Главная » Микросхема
4-канальный операционный усилитель LM324 с однополярным питанием состоит из четырех независимых операционных усилителей и дифференциальными входами.
Базовая схема включения предполагает работу от однополярного источника питания, однако возможно подключение микросхемы к двухполярному питанию. Микросхема устойчиво работает от источника малой мощности в широком диапазоне напряжений. Сила тока потребления зависит величины напряжения источника питания.
Содержание
- Особенности
- Корпуса
- Назначение выводов
- Предельно допустимые значения
- ESD – защита от электростатического разряда
- Таблица электрических параметров
- Внутренняя принципиальная схема 1-го канала ИМС LM324
- Импортные и отечественные аналоги
- Типовые эксплуатационные характеристики
Особенности
- Внутренняя частотная компенсация.
- Внутренняя защита выходов от короткого замыкания.
- Большой коэффициент усиления по постоянному напряжению – 100 дБ.
- Широкая полоса пропускания (единичный коэффициент усиления) –1 МГц.
- (Температурная компенсация).
- Широкий Диапазон Питания: однополярное питание – 3…32 В; двухполярное питание от ±(1,5…16) В.
- Малый ток потребления – 700 мкА (практически не зависит от напряжения питания).
- Низкий входной ток смещения – 45 нА (благодаря температурной компенсации).
- Низкие входные дифференциальные напряжение смещения – 2 мВ и ток смещения – 5 нА.
- Диапазон дифференциального входного напряжения определяется величиной напряжения питания.
Корпуса
Назначение выводов
Микросхема LM324 имеет 14 выводов. Назначение выводов для разных корпусов идентичное:
- 2,3, 5,6, 9,10, 13,12 — вход;
- 1,7,8,14 – выход;
- 4 – плюс источника питания;
- 11 – минус источника питания.
Предельно допустимые значения
Данные в таблице действительны при температуре воздуха 25°С.
| Параметр | Обозн. | Величина | Ед. изм. |
|---|---|---|---|
| Напряжение питания | Vdc | ||
| однополярное | VCC | 32 | |
| двухполярное | VCC, VEE | ±16 | |
| Диапазон входных дифференциальных напряжений | VIDR | ±32 | Vdc |
| Диапазон входного синфазного напряжения | VICR | −0,3…32 | Vdc |
| Длительность короткого замыкания на выходе | tSC | Постоянно | |
| Температура кристалла | TJ | 150 | °C |
| Тепловое сопротивление, кристалл-воздух | RθJA | °C /W | |
| Case 646 | 118 | ||
| Case 751A | 156 | ||
| Case 948G | 190 | ||
| Диапазон температур хранения | Tstg | −65…+150 | °C |
| Диапазон рабочих температур LM324, LM324A, LM324E | TA | 0…+70 | °C |
- HBM (модель человеческого тела – имитирует контакт с человеком) – 2000 V.
- ММ (модель машины – имитирует контакт с оборудованием) – 200 V.
Таблица электрических параметров
Данные в таблице действительны при VCC=5.0 V, VEE=GND, TA=25°C.
| Параметр | Обозн. | Мин. | Тип. | Макс. | Ед. изм. |
|---|---|---|---|---|---|
| Разница входных напряжений смещения | VIO | mV | |||
| VCC = 5,0…30 V | |||||
| TA = 25°C | 2 | 7 | |||
| TA = Thigh | 9 | ||||
| TA = Tlow | 9 | ||||
| Средний температурный коэффициент VIO | ΔVIO/ΔT | − | 7 | − | µV/°C |
| TA = Thigh…Tlow | |||||
| Разница входных токов смещения | IIO | − | 5 | 50 | nA |
| TA = Thigh…Tlow | − | − | 150 | ||
| Средний температурный коэффициент IIO | ΔIIO/ΔT | − | 10 | − | pA/°C |
| TA = Thigh…Tlow | |||||
| Входной ток смещения | IIB | − | −90 | −250 | nA |
| TA = Thigh…Tlow | −500 | ||||
| Диапазон входного синфазного напряжения | VICR | V | |||
| TA = +25°C | 0 | 28,3 | |||
| TA = Thigh…Tlow | 0 | 28 | |||
| Диапазон входного дифференциального напряжения | VIDR | − | − | VCC | V |
| Коэффициент усиления большого сигнала по без обратной связи | AVOL | V/mV | |||
RL = 2. 0 kΩ, VCC = 15 V, | 25 | 100 | − | ||
| TA = Thigh…Tlow | 15 | ||||
| Разделение входных каналов при 10…20 kHz | CS | − | −120 | − | dB |
| Коэффициент подавления синфазного сигнала, при RS менее 10 kΩ | CMR | 65 | 70 | − | dB |
| Коэффициент подавления помех источника питания | PSR | 65 | 100 | − | dB |
| Максимальное выходное напряжение | VOH | V | |||
| VCC = 5 V | 3,3 | 3,5 | |||
| VCC = 30 V | 27 | 28 | |||
| Минимальное выходное напряжение VCC = 5 V | VOL | 5 | 20 | mV | |
| Выходной ток VCC = 15 V, ТА=25°С | IO + | 20 | 40 | mA | |
| Выходной ток (нагрузка подключена к источнику питания) VCC = 15 V, TA = 25°C | IO − | 10 | 20 | mA | |
| Выходной ток короткозамкнутой нагрузки на землю | ISC | 40 | 60 | mA | |
| Ток источника питания при VCC = 30 V VO = 0 V | 3 | mA |
Внутренняя принципиальная схема 1-го канала ИМС LM324
LM324 содержит 4 операционных двухступенчатых усилителя с частотной компенсацией.
Первый каскад – входной дифференциальный, собран на элементах Q20 и Q18 с буферными транзисторами Q21 и Q17 и дифференциального преобразователя на Q3 и Q4. Первая ступень не только усиливает входные сигналы, она определяет уровни сдвига сигналов и нормализует характеристику крутизны. Такое схемное решение позволяет применить в компенсационной линии конденсатор очень малой емкости – 5,0 пФ), что увеличивает эффективность использования полезной площади кристалла. Дифференциальный каскад на транзисторах с разделенными коллекторами Q20 и Q18 преобразует входные напряжения в ток. Другая особенность этой ступени в том, что при питании усилителя однополярным напряжением не происходит насыщения транзисторов дифференциального каскада.
Второй каскад — это стандартный усилительный каскад. Для нагрузки он является источником тока.
Все 4 усилителя на рабочие режимы выводятся одним узлом смещения. Благодаря этому каждый усилитель обладает хорошими показателями температурной стабильности и подавления шумов по линии питания.
Импортные и отечественные аналоги
ИМС LM324 широко применяется в радиолюбительских разработках и электронных устройствах радиотехнический промышленности. Ее отличительные особенности, – наличие дифференциальных входов и высокий коэффициент усиления используется при конструировании различных электронных схем повышенной функциональности: интегрирующих, дифференцирующих, модулирующих узлах и блоках, а также в сумматорах и вычитателях. Это только небольшая часть областей применения LM324. Кроме того, промышленность постоянно выпускает новые приборы, в которых используется данная ИМС.
Естественно, что производители электронных радиокомпонентов предлагают большой перечень микросхем-операционных усилителей, которые можно использовать для замены LM324.
| Производители | Аналоги |
|---|---|
| Импортные | ULN4336N, GL324, LA6324, IR3702, HA17324, MB3614, NJM2902D, SG324N, TDB0124, UA324, TA75902P |
| Отечественные | 1401УД2, 1435УД2 |
Типовые эксплуатационные характеристики
Зависимость входного напряжения от напряжения питания.
Зависимость коэффициента усиления большого сигнала с разомкнутой обратной связью от частоты.
Зависимость выходного напряжения от частоты.
График отклика выходного сигала на входной импульс.
Зависимость тока потребления от напряжения питания.
Зависимость входного тока смещения от напряжения питания.
Лучшие операционные усилители для звуковых схем
Выбор операционного усилителя (ОУ) для аудио применений
Условные обозначения, принятые для этой страницы:
- Треугольник используется для обозначения операционного усилителя
- Вывод подключения напряжения питания положительной полярности (+V) расположен слева от треугольника и направлен вверх.
- Вывод подключения напряжения питания отрицательной полярности(-V) расположен слева от треугольника и направлен вниз.
- Неинвертирующий вход расположен слева и обозначен знаком «+».
- Инвертирующий вход расположен слева и обозначен знаком «-».
- Выход ОУ изображается справа в вершине треугольника и направлен вправо
- Выводы частотной компенсации или регулировки напряжения смещения справа от контактов питания и направлены вверх или вниз.
- Названия корпусов соответствуют стандартизированным обозначениям.
Простой Операционный Усилитель в корпусе DIL8 (V1)
Контакт 4 = -V
Контакт 7 = +V
Примеры : 709, 748, CA3130, LT1028, NE5534, OPA121, AD797
Одиночный ОУ в корпусе DIL8 (V2)
Контакт 4 = -V
Контакт 7 = +V
Примеры : 741, AD711, LF351, LM301, OPA606, TL061, TL071, TL081, OPA604, OPA627 (более специализированные приборы, предназначенные для схем сбора данных, но иногда используются и для аудио)
Одиночный ОУ в корпусе DIL8 (V3)
Контакт 4 = -V
Контакт 7 = +V
Примеры : EL2030
Одиночный ОУ в корпусе DIL8 (V4)
Контакт 4 = -V
Контакт 7 = +V
Примеры : OP07, OP27, OP37, OPA134
Сдвоенный ОУ в корпусе DIL14
Контакт 4 = -V
Контакт 13 = +V
Примеры : 747, NE5533 (двойной NE5534)
Сдвоенный АОП в корпусе DIL8
Контакт 4 = -V
Контакт 8 = +V
Примеры : 1458, 1558, 4559, AD642, AD644, AD647, AD648, AD712, LF353, LM358, LM833, NE5532, JRC5532, OP270 (обратите внимание, есть также OP270 в 14-контактном корпусе), OP275, OPA2107, OPA2111, OPA2134, OPA2604, TL062, TL072, TL082, TL052, JRC072, JRC4558, MC4558, LM4558, MC33078
Счетверенный АОП в корпусе DIL14
Контакт 11 = -V
Контакт 4 = +V
Примеры : 4156, LM124, LM324, LM348, LM837, OPA404, TL064, TL074, TL084, OPA4134, MC33079
Самые популярные ОУ
Некоторые ОУ стали очень популярны и использовались в тысячах конструкций.
Кто из электронщиков последних десятилетий не знает uA741? Но uA741, конечно, не единственный сверх — популярный ОУ. У него есть множество «инкарнаций», такие как например uA747 (сдвоенный 741), MC1458 (сдвоенный 741), LM348 (счетверенный 741).
Также стали очень популярными чипы серии TL0xx (TL071, TL072, TL074, TL081, TL082, TL084) и CA3140. Микросхемы LM324, LM358 и CA3140 очень часто применяются в схемах с однополярным питанием. Серии TL07x и TL08x в основном используются для схем с симметричным питанием.
Самые известные, но не обязательно лучшие для аудио…
LM741 и LM324 очень популярны и используются повсеместно, то это главным образом благодаря тому, что они внесли огромный вклад в небольшую революцию в области интегральных усилителей. LM741 и LM324 были «лучше» и стабильнее своих предшественников LM709, но их характеристики вряд ли предназначались для усиления слабых звуковых сигналов. Тем не менее, они все таки для этого использовались, порой даже в схемах микрофонных усилителей.
NE5532 и NE5534 — отличное соотношение цена/качество. Очень подходят для изготовления небольших микрофонных предусилителей или даже предусилителей RIAA (RIAA — сертификация американской ассоциации звукозаписывающей индустрии Recording Industry Association of America). Эти чипы имеют небольшую склонность к нестабильности на высоких коэффициентах усиления (паразитные автоколебания на высокой частоте, обычно неслышимые и видимые только на осциллографе, приводящие однако к искажению звукового сигнала при прослушивании). Однако это явление легко устранить, обеспечив хорошую развязку по питанию и и добавив небольшую емкость в несколько пФ в цепи обратной связи.
Кроме того, иметь четыре ОУ в одном корпусе (например LM324) было и остается весьма практичным, даже при сомнительной линейности и уровне шума этих чипов.
Мое любимые ОУ для аудио
Кое-кто осуждает использование развязки источника питания, так как это может привести к увеличению шума.
Лично я выступаю за использование локальной развязки по питанию. Я всегда буду защищать её использование, пока сам не увижу неблагоприятный эффект.
Существует версия NE5534N с более низким уровнем собственного шума, чем у NE5534. Честно говоря, я пробовал оба и не заметил никакой разницы на слух или на осциллографе. Но, возможно, мои тесты были недостаточно «чистыми», чтобы заметить разницу…
TL071, TL072, TL074 — я использовал их много раз для схем усиления сигналов линейного уровня и даже для микрофонных предусилителей (хотя для последних я предпочитаю NE5534). Они дают очень хорошие результаты, а также имеют очень хорошее соотношение цена/качество.
AD797 — эта схема идеальна для изготовления малошумящих микрофонов или предусилителей RIAA. Я использовал этот чип один раз для реализации предусилителя RIAA. Результат меня полностью удовлетворил. На тот момент у меня не было возможности провести сравнения с NE5534 (или 5532), но мне кажется, что последний все же лучше.
Однако, это был единичный опыт, и не стоит принимать его за правило.
OPA2134 — используется в микрофонных предусилителях или предусилителях RIAA, а также во входных каскадах некоторых звуковых устройств (микшерных пультов, радиопередатчиков).
OP27 и OP37 — считается «лучше», чем NE5534, особенно с точки зрения уровня шума. И правда, эти микросхемы менее «шумны», чем NE5534, но большая разница в цене между ними и последними мне не кажется оправданной, по крайней мере, для звуковых схем.
Общее правило выбора «правильного» ОУ для звука
Я не знаю никаких магических правил. Вообще говоря, ОУ с биполярными транзисторами на входе всегда предпочтительнее, чем с входами на полевых транзисторах. Тем не менее, OPA2134 (FET) имеет «всего» на 6 дБ больше шума, чем NE5534 (биполярный). Время нарастания ( скорость нарастания выходного напряжения) является важным параметром, который дает хорошее представление о том, что можно ожидать от сигнала большой амплитуды и высокой частоты (скажем, выше 10 кГц для аудио).
Если ОУ недостаточно быстр, не ожидайте от него слишком многого… TL07x (FET) имеет довольно высокий уровень шума (18 нВ/rHz), но его время нарастания 13 В/мкс достаточно хорошее, в любом случае, намного выше, чем у LM741 (0,5 В/мкс)! Кстати, необходимо иметь в виду, что время нарастания около 2 В/мкс достаточно для обработки сигнала частотой 20 кГц с полной амплитудой.
Хорошая репутация, но лично не пробовал
LT1028 — эта довольно старая микросхема, которая всегда считалась одной из лучших в области аудио и много раз использовалась в микрофонных предусилителях, предусилителях RIAA и NAB. К сожалению, ни разу не держал в руках.
LM4562 — более новый чип, чем LT1028, с очень хорошими характеристиками.
LM6172 — может работать на более высокую емкостную нагрузку, чем средние ОУ, и имеет низкий уровень искажений.
AD8599 —
OPA2211 и OPA2827-
Разные производители одних и тех же чипов
NE5534 не обязательно имеет те же звуковые качества, что и другой NE5534, выпущенный другим производителем.
Один и тот же образец интегральной схемы могут предлагать разные производители, они не обязательно будут изготавливаться по одним и тем же технологиям, каждая отрасль имеет свои предпочтения и «секреты» производства. Я не претендую на то, что один бренд лучше другого. Тем не менее, похоже, что аудиофилы предпочитают бренд JRC, а не Signetic, Philips или Texas Instruments. Burr Brown — еще один бренд, заслуживший солидную репутацию благодаря высокому качеству в области аудиотехники. Однако мы должны оставаться скромными в этих суждениях и помнить, что есть схемные решения, в которых звуковые различия слышны меньше, чем в других.
Замена операционных усилителей
Безопасно ли менять одну микросхему на другую? Если корпуса содержат одинаковые функциональные блоки (например, два ОУ), то да. Существуют корпуса DIL8, содержащие только один ОУ (например, NE5534), и корпуса DIL8, содержащие два ОУ (например, NE5532). Таким образом, NE5534 и NE5532 имеют идентичный корпус (DIL8), но поскольку их внутренняя структура (распиновка) различается, замена одного на другой может просто привести к их полному выходу из строя!
С другой стороны, замена TL084 (корпус DIL14) на TL074 (также в корпусе DIL14) вполне возможна, поскольку разводка четырех ОУ, которые они оба содержат — идентична.
Обратите внимание, что вы можете использовать для замены ОУ с отличающейся распиновкой, используя сделав (или купив) небольшую плату — перходник. Ничто не мешает вам заменить NE5532 (двойной ОУ в корпусе DIL8) двумя NE5534 (каждый в корпусе DIL8), используя небольшую печатную плату, обеспечивающую механический «интерфейс»
Переведено с французского. Источник >>
LM324 против LM358 — разница между LM358 и LM324 ИС операционных усилителей
1 сентября 2021 — 0 комментариев
Отличие LM324 от LM358 В некоторых случаях производители тех или иных ИС изготавливают их в разных упаковках, содержащих разное количество блоков. Хотя они могут показаться похожими, разные операционные усилители на одном и том же кристалле могут иметь немного разные характеристики, и добавление большего количества усилителей на один и тот же кристалл может привести к небольшим изменениям в производительности. В этой статье мы рассмотрим сдвоенный операционный усилитель общего назначения LM358 и его счетверенную версию LM324.
Технические характеристики LM358 и LM324
Взглянув на технические характеристики, вы сможете понять важные различия.
Спецификация | LM358 | LM324 |
Напряжение питания | 32 В | 32 В |
Рассеиваемая мощность | 830 мВт (DIP) | 1130 мВт (DIP) |
Входное напряжение смещения | 5 мВ | 5 мВ |
Дрейф входного напряжения смещения | 20 мкВ/Кл (макс.) | 30 мкВ/Кл (макс.) |
Единственные существенные различия в характеристиках связаны с рассеиваемой мощностью — LM358 поставляется в корпусе DIP-8, который меньше, чем корпус DIP-14, в котором поставляется LM324.
Это означает, что LM324 может рассеивать больше мощность, чем у LM358. Это также может быть причиной большего дрейфа напряжения смещения для LM324.
Примечание: Дополнительные технические характеристики можно найти в LM358 Datasheet и LM324 Datasheet связаны внизу этой страницы.
Взгляд на внутреннюю схему LM358 и LM324
РИС. СХЕМА ВНУТРЕННИХ ЦЕПЕЙ LM358 И LM324
Взглянув на схему внутренних цепей, становится ясно, что обе части по существу имеют одинаковую схему для всех усилителей. Следовательно, единственная возможность ошибок возникает из-за небольших различий в способах производства и упаковки полупроводников.
Таблица основных различий между LM358 и LM324
LM358 | LM324 |
Два операционных усилителя в корпусе DIP-8 | Четыре операционных усилителя в корпусе DIP-14 |
Рассеиваемая мощность 830 мВт | 1130 мВт рассеиваемая мощность |
Заключение
Во всех смыслах и целях усилители внутри LM358 и LM324 одинаковы, единственная разница между ними заключается в количестве усилителей в корпусе и рассеиваемой мощности.
Спецификация компонента
Связанный пост
LM358 для аудио
LM358 для аудио| Эллиот Саунд Продактс | Операционные усилители LM358/LM324 |
© 2021, Род Эллиотт (ESP)
Основной индекс Указатель статей
Введение
Всем известно, что операционный усилитель LM358 (или счетверенная версия LM324, использующая идентичную внутреннюю схему) нельзя использовать для аудио. Вы найдете бесчисленное множество вопросов и ответов на форуме, которые говорят вам об этом, и в каком-то смысле они верны. Есть намного лучшие операционные усилители, доступные по разумной цене, и по большей части нет веской причины использовать LM358 в какой-либо аудиосхеме. Однако у этого операционного усилителя есть некоторые полезные характеристики, и он очень маломощный, что вполне может быть именно тем, что вам нужно.
Проблема, с которой вы столкнетесь без модификации, — это искажение, которое легко может превысить 0,5% THD (общее гармоническое искажение). Тем не менее, есть способ использовать LM358/LM324 таким образом, чтобы искажения упали до уровней, которые вы получите с операционными усилителями «аудиокласса», а в некоторых случаях они могут быть меньше. «Исправление» — это не что иное, как резистор! При правильном выборе выходной каскад операционного усилителя работает в классе А, что (по крайней мере, теоретически) делает его действительно очень удобным. Интересно, что на нескольких схемах применения в таблицах данных указан этот дополнительный резистор, но не объясняется причина, по которой он был включен.
Это не делает его рекомендованным устройством для аудио.
Его можно заставить работать очень хорошо с низким уровнем искажений, но он не особенно тихий (на самом деле, наоборот) и имеет довольно неторопливую скорость нарастания (т.е. он не быстрый). Однако, если вам нужен буфер или дополнительные 6 дБ или около того усиления в схеме «линейного уровня» и у вас есть запасной ½ LM358 в макете, его можно использовать без ущерба для аудиотракта. Однако любые претензии на малое энергопотребление теряются, потому что ток класса А может составлять несколько миллиампер — намного больше, чем обычно потребляет ИС (около 500 мкА).
Одной из наиболее привлекательных особенностей LM358 является его способность работать в диапазоне от ±1,5 В до ±16 В. Это рабочий диапазон, который почти неслыханный для большинства других, что делает его полезным для широкого спектра приложений. Добавив резистор, мы можем улучшить его еще больше, устранив присущие кроссоверу искажения. Хотя это легко измерить на частоте 1 кГц, оно становится легко заметным на осциллограмме при частотах выше 10 кГц или около того.
Прием, показанный здесь, не нов — он был продемонстрирован на нескольких веб-сайтах (которые я нашел после того, как провел собственные тесты), но трудно найти информацию, если вы еще не понимаете проблему. Кроме того, в течение многих лет люди утверждали, что та же самая модификация «улучшит» многие другие операционные усилители, но это, как правило, совершенно неверно для любого устройства, характеризующегося звуковыми характеристиками. Было бы опрометчиво использовать метод, описанный с NE5532, OPA2134, LM4562 или любым другим операционным усилителем с очень низким уровнем искажений. Им не нужно ничего добавлять, потому что они и так очень хорошо себя ведут и имеют минимальные искажения. Попытка заставить их перейти в класс А с большей вероятностью приведет к увеличивает искажение , чем улучшает ситуацию.
LM358 Внутренняя схема
Сама схема проста (по крайней мере, по сравнению с «лучшими» операционными усилителями), и она разработана специально для слаботочной работы.
На чертеже имеется четыре источника/приемника тока, пронумерованные от I 1 до I 4 . Входной каскад необычен тем, что он позволяет входам работать с напряжением до 500 мВ пик ниже отрицательного напряжения питания. Это (потенциально) полезно, если микросхема используется с одним источником питания, а отрицательный контакт питания подключен к земле. LM358 — это двойной операционный усилитель, а LM324 — счетверенный, использующий одну и ту же схему. Показанная распиновка предназначена для LM358.
Рис. 1. Внутренняя схема LM358 (LM324) (один канал)
Когда вы посмотрите на схему микросхемы, вы поймете, почему искажение является проблемой. Нет схемы смещения, чтобы гарантировать, что Q6 и Q13 «предварительно смещены», а выходной каскад относится к классу B. Кроссоверные искажения неизбежны! Обычно вы ожидаете увидеть транзистор смещения (или диоды) между базами Q5 и Q13, но в LM358/LM324 базы закорочены вместе, поэтому ток смещения для выходного каскада равен нулю.
я 4 — сток тока, предназначенный для поддержания проводимости через выходной транзистор Q6. Тем не менее, с довольно жалкими 50 мкА не требуется большого уровня сигнала, прежде чем он перестанет быть эффективным. При общей нагрузке 10 кОм (следующая нагрузка плюс сеть обратной связи ) максимальный уровень сигнала составляет всего -500 мВ пика, после чего I 4 больше не может обеспечивать достаточный ток для предотвращения искажений.
Решение простое и не требует ничего, кроме добавления одного резистора. Я провел некоторые измерения, и с резисторами обратной связи 10 кОм, как показано на рисунке 2, искажение (без R4) было лишь немного выше, чем невязка моего генератора (<0,01%) с выходным напряжением до 400 мВ (пиковое значение 280 мВ). Кроме того, искажения быстро возрастали. Добавление выходного резистора «класса А» от выхода к отрицательному источнику питания уменьшило искажение обратно до остаточного, без каких-либо признаков «избыточного» искажения.
Конечно, это не панацея и не превращает LM358 волшебным образом в настоящий операционный усилитель «аудиокласса», но это означает, что может использоваться в некритической области, если это необходимо.
Q7 — это ограничитель выходного тока, который устанавливает максимальный выходной ток на уровне 40 мА (типично), хотя, согласно техническому описанию, может быть всего 20 мА. Очевидно, важно убедиться, что дополнительный ток, потребляемый добавленным резистором R4, не увеличивает пиковый ток более чем до 10 мА при максимальном положительном выходе, иначе ограничитель тока создаст «новую» возможность для искажения. Минимальное значение R4 при питании ±15 В составляет 3,3 кОм, но старайтесь поддерживать значение как можно выше, чтобы обеспечить минимальные искажения.
Рис. 2. Тестовая схема с работой класса A
Резистор (R4, выделен) должен быть выбран таким образом, чтобы через него всегда протекал некоторый ток. Это определяется ожидаемым выходным напряжением и цепью обратной связи параллельно со следующей нагрузкой.
Если вы планируете управлять (например) нагрузкой 3,3 кОм (следующий этап) с напряжением до ± 6 В (среднеквадратичное значение 4,25 В), то также сделайте R4 3,3 кОм. При питании ±15 В ток покоя через R4 будет около 4,5 мА, а при нагрузке 3,3 кОм ток через R4 не упадет ниже 2,7 мА. Это означает, что Q13 (отрицательный выходной транзистор в микросхеме) теперь избыточен — он ничего не делает. Положительное выходное устройство (Q6) обрабатывает полную форму звуковой волны, поэтому работает в классе A для полного размаха сигнала.
Будьте осторожны, потому что если значение R4 слишком мало, вы вызовете чрезмерное рассеяние в Q6 операционного усилителя, что приведет к перегреву и возможному выходу из строя. В идеале дополнительный ток будет равен , а всего достаточно, чтобы справиться с пиковым уровнем звука, ожидаемым при используемом импедансе нагрузки. В результате такая схема не рекомендуется, если вам нужно управлять нагрузками с низким импедансом с любым напряжением, превышающим примерно 1 В.
Это зависит от вас, чтобы решить это для себя.
Результаты измерений
Чтобы показать кроссоверное искажение, я сначала использовал синусоиду 10 кГц с выходным сигналом, настроенным на выходное среднеквадратичное значение 2 В. Искажение может быть просто видно с 1 кГц, но это всего лишь крошечный сбой в форме волны. На частоте 10 кГц искажения гораздо более заметны, потому что операционный усилитель недостаточно быстр для компенсации. Смещение искажения из-за стока тока 50 мкА очевидно, потому что искажение кроссовера смещено на -1 В относительно нулевого положения напряжения. Внутренний сток тока составляет почти ровно 50 мкА, так как полное сопротивление цепи обратной связи составляет 20 кОм (2 × 10 кОм последовательно). 50 мкА с 20 кОм составляет 1 В, точное смещение вы можете увидеть на графике осциллографа.
Рис. 3. LM358, отклик 10 кГц
Хотя я создал имитационную модель LM358, используя схему ИС, результаты не соответствовали измеренным результатам, поэтому результаты осциллографа показаны для выходного сигнала (желтая кривая) и остаточного искажения (фиолетовая кривая).
Мой измеритель искажений имеет максимальную чувствительность 0,1% THD от полной шкалы, и его можно измерять до 0,01% с приемлемой точностью. Генератор, который я использовал (Project 174), имеет остаточное искажение, которое намного ниже моего предела измерений. На самом деле он настолько низок, что выходной сигнал измерителя искажений состоит в основном из основных гармоник, потому что измеритель не может дальше обнуляться. Это устанавливает нижний предел для измерений около 0,01% THD.
Рис. 4. LM358, только резисторы обратной связи (без нагрузки)
На рис. 4 показаны искажения без R4. На моем измерителе искажений было измерено 0,31% с выходным уровнем 2 В RMS, выходной сигнал измерителя искажений показан фиолетовой кривой, и он измеряет 760 мВ RMS с пиковым уровнем 2,2 В (положительный) и 3,2 В (отрицательный). . Само искажение представляет собой неприятную форму волны, а острые пики указывают на серьезный (и внезапный) разрыв. Хотя уровень дисторшна может показаться «нормальным» (по сравнению, например, с некоторыми ламповыми усилителями), остроконечный характер волны делает его очень слышно.
Это было (и остается) ограничением измерения искажений, когда измерение представлено в виде простого процента, без преимущества формы волны, которая позволяет увидеть природу искажения. Когда это опущено, вы понятия не имеете, чего ожидать!
Рис. 5. LM358 с добавленным резистором класса A (без нагрузки)
После добавления дополнительного резистора (R4) искажение возвращается к остаточному значению генератора и измерителя искажения. Это показывает как <0,01%, как на входе и выход схемы ОУ. Форма волны искажения, показанная на рис. 4, по существу идентична форме волны генератора и состоит в основном из основной гармоники ! Резких разрывов нет, только остаточная основная гармоника плюс несколько гармоник низкого уровня. Это указывает на то, что в этом тесте LM358 не внес измеримых искажений (с имеющимся у меня тестовым оборудованием). Я также протестировал схему с нагрузкой 2,7 кОм, и искажения заметно не изменились (они были немного выше, но оставались «доброкачественными»).
К сожалению, я не в состоянии позволить себе купить анализатор Audio Precision, поэтому мои измерения несколько ограничены. Тем не менее, это разумное предположение, что если LM358 не вносил каких-либо избыточных искажений, которые я мог измерить, его фактическое искажение хорошо ниже 0,01%. Учитывая то, что было раньше, это показывает, что преобразование LM358 в класс A дает преимущество, которое противоречит простоте решения.
Выводы
Что бы вы ни делали, LM258 никогда не станет «аудиофильским» операционным усилителем. Однако, заставив его выходной каскад работать в классе A, он намного лучше, чем большинство людей думают. Однако это уже не «слаботочный» операционный усилитель, потому что ток класса А должен быть больше, чем любой ожидаемый ток нагрузки. Хотя было бы (по крайней мере, теоретически) «лучше» использовать приемник тока вместо R4, это добавило бы немало дополнительных деталей, но без каких-либо ощутимых преимуществ.
Единственная причина, по которой вы бы использовали LM358 для аудиосхемы, это отсутствие другого выбора (что довольно маловероятно).
Однако, если вы застряли и у вас нет ничего другого, преобразование его вывода в класс-A является рабочим решением. Если вам интересно, использование резистора от выхода к положительному источнику питания также работает, но далеко не так. Выходной PNP-транзистор (Q13) имеет сравнительно плохие характеристики, поэтому его шунтирование резистором R4 дает гораздо лучшие результаты.
В какой-то момент (идея, кажется, по большей части исчезла) этот мод был предложен и для других операционных усилителей с (совершенно необоснованными) заявлениями о том, что он «улучшит» производительность. В подавляющем большинстве случаев с приличными операционными усилителями (с низким уровнем искажений) добавление резистора, скорее всего, ухудшит характеристики.0212 хуже и особенно для устройств с ограниченным выходным током. LM358 немного отличается от многих других тем, что он может выдавать до 40 мА во время положительной части выхода, казалось бы, без каких-либо заметных нагрузок.
Тесты, которые я провел, не являются субъективными и не требуют никаких грубых объяснений того, как это улучшит «звуковую сцену» или любой другой параметр, столь любимый бригадой субъективистов (для которых измерения обычно являются анафемой).
Это простая и незамысловатая инженерия, позволяющая использовать непригодный для использования операционный усилитель, который работает достаточно хорошо, чтобы его можно было использовать в аудиосхеме. Это также поучительно само по себе, потому что показывает, что очень простой операционный усилитель все еще может давать очень хорошие результаты, если вы с самого начала правильно понимаете проблему.
Теперь у вас есть возможность использовать эту неиспользуемую половину LM358 в вашем проекте для чего-то полезного. Добавив всего один резистор, вы можете улучшить его характеристики искажения по крайней мере на порядок (× 10) всего за несколько центов. Одна вещь, которую вы должны обеспечить для и , — это очень чистое отрицательное питание, поскольку операционному усилителю очень трудно устранить любой шум питания, проходящий через добавленный резистор.
Основной индекс Указатель статей
Ссылки
- LM358 Лист данных
Уведомление об авторских правах. Похожие записи |