Lm358n схема включения как работает

LM358 схема включения

Так как LM358 имеет в своем составе два операционных усилителя, у каждого по два входа и один выход (6 — выводов) и два контакта нужны для питания, то всего получается 8 контактов.

LM358 корпусируются как в корпуса для объемного монтажа (LM358N — DIP8), так и в корпуса для поверхностного монтажа (LM358D — SO8). Есть и металлокерамическое исполнение для особо тяжелых условий работы.
Я применял LM358 только для поверхностного монтажа – просто и удобно паять.

Аналоги LM358

Полные аналоги LM358 от разных производителей NE532, OP04, OP221, OP290, OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C.
Для LM358D — KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G.

Вместе с LM358 выпускается большое количество похожих операционных усилителей. Например LM158, LM258, LM2409 имеют аналогичные характеристики, но разный температурный диапазон работы.

Тип	Минимальная температура, °C	Максимальная температура, °C	Диапазон питающих напряжений, В
LM158	-55	125	от 3(±1,5) до 32(±16)
LM258	-25	85	от 3(±1,5) до 32(±16)
LM358	0	70	от 3(±1,5) до 32(±16)
LM358	-40	85	от 3(±1,5) до 26(±13)

Если диапазона 0..70 градусов не хватает, то стоит применить LM2409, однако следует учитывать что у неё диапазон питания уже:

Кстати если нужен только один операционный усилитель в компактном 5 выводном корпусе SOT23-5 то вполне можно применить LM321, LMV321 (аналоги AD8541, OP191, OPA337).
Наоборот, если нужно большое количество рядом расположенных операционных усилителей, то можно применить счетверенные LM324 в 14 выводном корпусе. Можно вполне сэкономить пространство и конденсаторы по цепям питания.

LM358 схема включения: неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления этой схемы равен (1+R2/R1).
Зная сопротивления резисторов и входное напряжение можно посчитать выходное:
Uвых=Uвх*(1+R2/R1).
При следующих значениях резисторов коэффициент усиления будет равен 101.

• DA1 – LM358;
• R1 – 10 кОм;
• R2 – 1 MОм.

LM358 схема включения: мощный неинвертирующий усилитель

• DA1 – LM358;
• R1 – 910 кОм;
• R2 – 100 кОм;
• R3 – 91 кОм.

Для этой схемы коэффициент усиления по напряжению равен 10, в общем случае коэффициент усиления этой схемы равен (1+R1/R2).
Коэффициент усиления по току определяется соответствующим коэффициентом транзистора VT1.

LM358 схема включения: преобразователь напряжение — ток

Выходной ток этой схемы будет прямо пропорционален входному напряжению и обратно пропорционален значению сопротивления R1.
I=Uвх/R, [А]=[В]/[Ом].
Для сопротивления резистора R1 равного 1 Ом, каждый Вольт входного напряжения будет давать, один Ампер выходного напряжения.

LM358 схема включения: преобразователь ток — напряжение

А эта схема нужна для преобразования малых токов в напряжение.
Uвых = I * R1, [В]= [А]*[Ом].
Например при R1 = 1 МОм, ток через 1 мкА, превратиться в напряжение 1В на выходе DA1.

LM358 схема включения: дифференциальный усилитель

Эта схема дифференциального усилителя с высоким входным сопротивление, может применятся для измерения напряжении источников с высоким внутренним сопротивлением.
При условии, что R1/R2=R4/R3, выходное напряжение можно рассчитать как:
Uвых = (1+R4/R3)(Uвх1 – Uвх2).
Коэффициент усиления соответственно будет равен: (1+R4/R3).
Для R1 = R2 = R3 = R4 = 100 кОм, коэффициент усиления будет равен 2.

LM358 схема включения: дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления

Стоит отметить, что предыдущая схема не позволяет подстраивать коэффициент усиления, так как требует одновременного изменения двух резисторов. Если необходимо иметь возможность регулировки коэффициента усиления в дифференциальном усилителе, то можно воспользоваться схемой на трех операционных усилителях.
В данной схеме подстройка коэффициента усиления осуществляется за счет регулировки резистора R2.
Для этой схемы нужно соблюсти условия равенства значений сопротивлений резисторов: R1 = R3 и R4 = R5 = R6 = R7.
Тогда коэффициент усиления будет равен: (1+2*R1/R2).
Uвых = (1+2*R1/R2)(Uвх1 – Uвх2).

LM358 схема включения: монитор тока

Еще одна интересная схема позволяющая измерять ток в питающем проводе и состоящая из шунта R1, операционного усилителя npn – транзистора и двух резисторов.

• DA1 – LM358;
• R1 – 0,1 Ом;
• R2 – 100 Ом;
• R3 – 1 кОм.

Напряжение питания операционного усилителя должно быть минимум на 2 В, выше напряжения нагрузки.

LM358 схема включения: преобразователь напряжение – частота

И напоследок схема которую можно использовать в качестве аналого-цифрового преобразователя. Нужно только подсчитать период или частоту выходных сигналов.

• C1 – 0,047 мкФ;
• DA1 – LM358;
• R1 – 100 кОм;
• R2 – 50 кОм;
• R3,R4,R5 – 51 кОм;
• R6 — 100 кОм;
• R7 — 10 кОм.

Запись опубликована 12.02.2016 автором в рубрике Электроника для начинающих.

28 thoughts on “ LM358 схема включения ”

Greg18.03.2016 в 23:34 Наверное — это самый распространенный операционник. Как раз тот случай, когда усредненные характеристики детали, делают ее востребованной в любых стандартных устройствах. Возможность сносно работать в различных режимах позволяет использовать в УМЗЧ, параметрических и импульсных стабилизаторах, генераторах, модуляторах, регуляторах и т.д. Из-за надежности, обусловленной простотой, используется и в бытовой, и в промышленной, и, даже, военной технике.

1. Root03.04.2016 в 07:40 Востребованной ее делает крайне низкая цена, я их брал по 3,5 руб. Взял сотню, теперь леплю эти «семечки» куда только можно. Кроме звукоусиливающей аппаратуры, конечно, где посредственные частотные и скоростные параметры накладывают серьезные ограничения на использование LM358. Что любопытно, у этого простенького ОУ довольно большое допустимое синфазное напряжение, что позволяет использовать его в качестве усилителя напряжения с шунта в «горячем» проводе источника питания с выходным напряжением до 27 вольт. Как на девятом рисунке в публикации. Только с напряжением смещения у него не очень, поэтому приходится сопротивление шунтов выбирать побольше, компенсируя низкую точность операционного усилителя. Но что тут поделать? Инструментальный усилитель за 3 рубля не купишь…

1. Greg04.04.2016 в 21:07 Можно и в звуковых усилителях использовать, но, не в виде предварительного каскада усиления, конечно, тут полностью поддерживаю. Ресиверы, вообще одно из немногих устройств, в каскады усиления которых, современные технологии не добрались. Понимаю, что сейчас кругом МП3, но после качественного ЦАП, микросхемам делать уже нечего. Если мы говорим о верном Hi-Fi (High-Fidelity) стерео-звуке, конечно. В аппаратуре такого уровня, даже применение вакуумных радиоламп до сих пор актуально и востребовано.

1. Анатолий12.04.2016 в 08:18 Не подскажете пару радиосхем на вакуумных лампах. Лампы есть, а вот схем не могу найти, даже в интернете. Помню, в детстве, был у меня катушечный магнитофон «Астра», так в нём целых три лампы стояло, звук был громкий, но качество конечно оставляло желать лучшего.

1. Greg13.04.2016 в 15:54 Качество звука было неважным — из-за плохого качества магнитных носителей и звукоснимателей, а не из-за усиления НЧ! Усилитель только подчеркивал эти недостатки. Плюс «звукоизлучатели» вносили свою лепту. Да и усилитель-усилителю рознь, несмотря на использованные в нем элементы. Многие старые магнитофоны, по вышеуказанной причине, оснащались изначально некачественным, упрощенным выходным каскадом.
   А какие у вас лампы? Их разнообразие побольше, чем у транзисторов, особенно биполярных. Схемы найти трудно, но не невозможно, сложнее — под определенные лампы, особенно, если это две ГУ-50.

1. Greg07.04.2016 в 00:54 Стандартизация — основа взаимозаменяемости, не следовать ей — свернуть на путь ведущий к невостребованности. Позволить себе такое, может далеко не каждый, к чему это приведет, можно представить на примере бывшего СССР. И соответствие однотипных устройств должно быть максимальным: схематично, параметрично и метрично. Это закон, причем, закон не джунглей, а цивилизации.

1. Антон13.10.2017 в 14:05 Greg, сколько Вам лет? Что Вы знаете о стандартизации в СССР и до него?

1. TSB24.11.2019 в 02:45 А что знаете Вы?Весьма интересно …

1. Root26.05.2016 в 02:25 Максимальное синфазное напряжение для LM358 составляет 28 вольт при напряжении питания ОУ 30 вольт. Синфазное напряжение — напряжение приложенное одновременно к обоим входам ОУ относительно общего провода. В данной схеме входное синфазное напряжение это и есть +Uнагр, которое прикладывается к входам LM358 через резисторы R2 и R1. Т.е. Uнагр может быть величиной до 28 вольт. Я LM358 использовал для усиления напряжения с шунта в импульсном стабилизаторе тока и напряжения. Схема самая банальная — операционный усилитель в дифференциальном включении с двуполярным питанием. Работает прекрасно, напряжение на выходе практически не зависит от напряжения на выходе блока питания, и строго пропорционально напряжению на шунте. Напряжение с выхода подавал на микроамперметр (индикатор тока) и на один из управляющих выводов TL494.

1. FYNJY27.07.2018 в 22:26 «операционный усилитель в дифференциальном включении с двуполярным питанием» Здравствуйте, а можно попросить у вас схемку. Я собирал аналогично, но где то ошибки, не могу найти, не работает. вернее с однополярным работает, с двухполярным нет.

1. Greg01.10.2016 в 18:49 В эквалайзерах, особенно графических, данная микросхема демонстрирует тоже довольно неплохие параметры, как и в параметрических, в принципе. Тут есть один, небольшой, нюанс. Если использовать квадратичный фильтр, то как раз получается один корпус на полосу. Если же фильтр биквадратный, то придется ставить уже два корпуса. Тут есть смысл задуматься над применением счетверенной LM324. Но LM358, на мой взгляд, предпочтительней из-за большей чувствительности. Да и вдруг вам захочется кубических фильтров.

1. Я26.01.2023 в 20:54 Поставь с автомобиля реле регулятор напряжения…

1. Thero20.10.2018 в 01:50 Да, можно. Даже нужно.

Описание и применение операционного усилителя LM358. Схемы включения, аналог, datasheet

Микросхема LM358 в одном корпусе содержит два независимых маломощных операционных усилителя с высоким коэффициентом усиления и частотной компенсацией. Отличается низким потреблением тока. Особенность данного усилителя – возможность работать в схемах с однополярным питанием от 3 до 32 вольт. Выход имеет защиту от короткого замыкания.

Описание операционного усилителя LM358

Область применения — в качестве усилительного преобразователя, в схемах преобразования постоянного напряжения, и во всех стандартных схемах, где используются операционные усилители, как с однополярным питающим напряжением, так и двухполярным.

Технические характеристики LM358

• Однополярное питание: от 3 В до 32 В.
• Двухполярное питание: ± 1,5 до ± 16 В.
• Ток потребления: 0,7 мА.
• Входное напряжение смещения: 3 мВ.
• Дифференциальное входное напряжение: 32 В.
• Синфазный входной ток: 20 нА.
• Дифференциальный входной ток: 2 нА.
• Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению: 100 дБ.
• Размах выходного напряжения: от 0 В до VCC — 1,5 В.
• Коэффициент гармонических искажений: 0,02%.
• Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 0,6 В/мкс.
• Частота единичного усиления (с температурной компенсацией): 1,0 МГц.
• Максимальная рассеиваемая мощность: 830 мВт.
• Диапазон рабочих температур: 0…70 гр.С.

Габаритные размеры и назначения выводов LM358 (LM358N)

Аналоги LM358

Ниже приведен список зарубежных и отечественных аналогов операционного усилителя LM358:

• GL358
• NE532
• OP221
• OP290
• OP295
• TA75358P
• UPC358C
• AN6561
• CA358E
• HA17904
• КР1040УД1 (отечественный аналог)
• КР1053УД2 (отечественный аналог)
• КР1401УД5 (отечественный аналог)

Примеры применения (схемы включения) усилителя LM358

Простой неинвертирующий усилитель

Компаратор с гистерезисом

Допустим, что потенциал, поступающий на инвертирующий вход, плавно возрастает. При достижении его уровня чуть выше опорного (Vh -Vref), на выходе компаратора возникнет высокий логический уровень. Если после этого входной потенциал начнет медленно снижаться, то выход компаратора переключится на низкий логический уровень при значении немного ниже опорного (Vref – Vl). В данном примере разница между (Vh -Vref) и (Vref – Vl) будет значение гистерезиса.

Генератор синусоидального сигнала с мостом Вина

Мостовой генератор Вина (Wien bridge oscillator) — является одним из видов электронного генератора, который генерирует волны синусоидальной формы. Он может генерировать широкий спектр частот. Генератор основан на мостовой схеме, изначально разработанной Максом Вином в 1891 году. Класический генератор Вина состоит из четырех резисторов и двух конденсаторов. Генератор можно также рассматривать в качестве прямого усилителя в сочетании с полосовым фильтром, который обеспечивает положительную обратную связь.

Дифференциальный усилитель на LM358

Назначение данной схемы — усиление разности двух входящих сигналов, при этом каждый из них умножается на определенную постоянную величину.

Дифференциальный усилитель — это хорошо известная электрическая схема, применяемая для усиления разности напряжений 2-х сигналов, поступающих на его входы. В теоретической модели дифференциального усилителя величина выходного сигнала не зависит от величины каждого отдельного входного сигнала, а зависит строго от их разности.

Функциональный генератор

Данный функциональный генератор вырабатывает сигналы треугольной и прямоугольной формы.

Генератор прямоугольных импульсов на LM358

В качестве примера использования приведем схему микрофонного усилителя на LM358:

Скачать datasheet LM358 (808,0 KiB, скачано: 16 898)

Характеристики микросхемы LM358: распиновка, аналог, схема включения

LM358, по своим техническим характеристикам, представляет собой небольшую по габаритам, компактную микросхему. Основными её составляющими являются два обособленных операционных усилителя, способных работать независимо друг от друга, как от однополярного, так и двупольного источника питания в пределах поддерживаемого диапазона напряжений. Устройство широко применяется в составе низкочастотных усилителей, преобразователей постоянного тока, импульсных стабилизаторах, различных модуляторах, генераторах, регуляторах и др.

Маркировка

Интересно, что маркировка LM358, начинающаяся с символов «LM», сохранилась в спецификациях до сегодняшних дней от её первого производителя. Этот префикс указывает на основного разработчика устройства — американскую компании National Semiconductor, которая стала в 2011 году одним из подразделений корпорации Texas Instruments. Последняя продолжает развивать и совершенствовать данную микросхему в своих более новых, более современных продуктах, например у таких как серия LM904B(N) и др., о чём в дополнительно указано в datasheet.

Внешний вид и назначение контактов

Расположение выводов (распиновка) и внешний вид LM358 показаны на изображении ниже. Всего у микросхемы имеется 8 металлических выводов, два из которых предназначены для подачи питающего напряжения (4 ,8), остальные являются сигнальными (1-3,5-7). Назначение и размещение контактов на корпусе не зависят от типа последнего. При этом, нумерация контактов выполнена против часовой стрелки.

В настоящее время существует огромное количество разнообразных версий пластиковых упаковок (показаны на изображении выше), в которых выпускается рассматриваемая микросхема.

Абсолютные характеристики LM358

• напряжение питания: однополярное (V_C) до +32 В, (V_id) двуполярное до ± 16 В;
• рассеиваемая мощность (P_D) зависит от типа корпуса: PDIP(P)- 830 Вт, ТО-99(LMC) — 550 Вт, SOIC(D)- 530 Вт, DSBGA(YPB) — 435 Вт;
• длительность короткого замыкания на выходе – бесконечно;
• ток на входе (I_in) (при V_id
• температура окружающей среды (T_А) -55 … 125 o C;
• температура хранения (T_STG) -65 … 150 o C.

Схема включения

Для понимания некоторых возможностей LM358, ознакомился с некоторыми типовыми схемами включения. Довольно часто рассматриваемую микросхему используют для усиления ослабленного сигнала. В техническом описании (datasheet), как правило, приводятся все примеры возможного применения.

Инвертирующий усилитель

На рисунке ниже показан один из вариантов инвертирующего усилителя по переменному току, осуществляющего преобразование положительное напряжение на входе (V_out) в отрицательное на выходе и наоборот.

Для работы такой схемы, напряжение питания (V_SUP) должно быть выше значений диапазона подаваемого на вход сигнала (V_IN). Коэффициент усиления (A_V) в показанной конфигурации определяется по следующей формуле A_V= R_F/ R_1. Таким образом, для номинальных значений резисторов, показанных на изображении, A_V= R_F/ R₁= 10/1=10.

Неинвертирующий усилитель

Для того, чтобы сигнал не менялся после преобразования с положительного на отрицательный, разработана типовая схема включения неинвртирующего усилителя по переменному току. В ней, полярности напряжений на инвертирующем входе (V_IN) и выходе (V_OUT) одинаковые. Коэффициент усиления (A_V) определяется также, с помощью двух резисторов R₁ и R₂, но уже по другой формуле A_V=1+R₂/R₁ или V_out/ V_in.

На изображении значения сопротивлений следующее: R₁=10 кОм, R₂=100 кОм. Таким образом, в идеале для схемы неинвертирующего усиления можно получить значительное увеличение входного сигнала (A_V=1+R₂/R₁ =1+100/10=11).

Аналоги для замены

У LM358 существуют российские функциональные аналоги, к ним можно отнести: 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5. Из зарубежных микросхем практически идентичными считаются: NE532, LM2904, LM6142, LM2409, LM158, LM258. Аналогичными устройствами можно назвать практически все парные операционные усилители с 8-pin, у которых в маркировке присутствуют цифры 358.

Компании-производители

Ознакомится с техническим описание (datasheet) в pdf-формат на LM358 можно по соответствующим ссылкам с названием компании-производителя. Указанную микросхему выпускают: Texas Instuments, STMicroelectronics, Diodes Incorporated и др.

РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358

Под термином «операционный усилитель» подразумевается микросхема дифференциальный усилитель постоянного тока, с высоким коэффициентом усиления и высоким входным сопротивлением, адаптированная для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи.

Операционный усилитель (ОУ) имеет сложную внутреннюю структуру, в которую не будем углубляться сосредоточившись на практическом применении. Графический символ операционного усилителя относится не к его внешнему виду (тем более что он может быть доступен в различных корпусах), а к принципу работы:

Графический символ операционного усилителя. We (In) – вход, Wy (Out) – выход

Символ этот очень упрощен. Если бы мы хотели разместить на нем все необходимые детали обвязки и коррекции, пришлось бы нарисовать еще контакты. Но чаще всего этого достаточно.

Принцип действия ОУ

Подаем на усилитель через входы, обозначенные здесь символом We (+) так называемый неинвертирующий вход и / или We (-) так называемый инвертирующий вход некоторый сигнал. У него может быть даже очень небольшое напряжение. Разница входного напряжения называется дифференциальным напряжением.

Этот усилитель является своего рода компаратором – он будет сравнивать оба сигнала друг с другом и вести себя по-разному в зависимости от того, какой сигнал будет сильнее:

We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит – Uwo

Если подадим более высокое напряжение на неинвертирующий вход We (+), чем на инвертирующий вход We (-), выход будет близок к напряжению Uпит, подаваемому на усилитель, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo.

We (+) < We (-) =>Wy ~ 0 В

Если подадим более низкое напряжение на вход неинвертирующего We (+), чем на вход инвертирующего We (-) контакта, выход будет близок к нулю.

We (+) = We (-) => Wy ~ 0 В

Если подадим один и тот же сигнал на оба входа (называемый в данном случае недифференциальным сигналом), выходное напряжение будет близко к нулю.

Операционный усилитель, с которым будем проводить тесты, имеет обозначение LM358 (это наверное самая распространённая микросхема ОУ). Согласно информации из документации, это двойной усилитель напряжения (то есть два усилителя в одном корпусе), поэтому он имеет восемь контактов:

Слева операционный усилитель LM358; Справа схема его контактов

Вывод 8 (напряжение питания) и вывод 4 (масса) являются общими для обоих усилителей. Остальные ножки раздельные:

1. первый усилитель состоит из ножек: 3 (We (+)), 2 (We (-)), 1 (выход).
2. второй усилитель состоит из ножек: 5 (We (+)), 6 (We (-)), 7 (выход)

Если присмотритесь, то заметите небольшое углубление на одной стороне корпуса. На схеме в примечании вместо углубления рядом с цифрой 1 есть черная точка. Это стандартный способ маркировки передней части микросхемы. Ножки всегда нумеруются последовательно, начиная с выемки (или точки) против часовой стрелки.

Операционный усилитель LM358 с маркировкой ключа

Проверим как это выглядит на практике – соберем макетную плату. Напряжение питания 6 В. Для желто-зеленого светодиода выбран резистор 220 Ом. Потенциометр P1 на 10 кОм.

Внимание! Перед подключением блока питания к схеме на плате убедитесь, что операционный усилитель подключен правильно, иначе можете его повредить.

Вариант 1. Резистор R1 и светодиод D1 (желтый) подключены между плюсом блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) также подключен к плюсу питания.

Схема из источника питания B1, операционного усилителя LM358, резистора R1, потенциометра P1 и диода D1

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение близкое к напряжению питания, минус падение напряжения на усилителе. Разность потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет слишком низкой для питания светодиода, поэтому он останется выключенным.

Вариант 2. Резистор R1 и светодиод R1 (в моем случае желтый) подключены между «плюсом» блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Разности потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.

Вариант 3. Резистор R1 и светодиод D1 (теперь зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и землей; неинвертирующий вход We (+) (третий выходной контакт усилителя) подключен к «плюсу» источника питания.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение, близкое к напряжению питания минус падение напряжения на усилителе. Разности потенциалов между выходом операционного усилителя и землей будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.

Вариант 4. Резистор R1 и светодиод D1 (зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и массой; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.

Полезное на сайте:
Триггер Шмитта на транзисторах

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Никакая разность потенциалов между выходом операционного усилителя и землей не предотвратит включение светодиода, поэтому он останется выключенным.

Собраны результаты опытов в таблице ниже:

Результаты проведенного эксперимента – влияние подключения We (+) – третьей ножки усилителя и свечения светодиода

Верна ли приведенная выше схема для всех операционных усилителей? Нет. Возьмем, к примеру, еще один, очень похожий операционный усилитель LM393. Он может проводить электричество только от точки в цепи с более высоким потенциалом (аналогично линиям 1 и 2 в таблице). Он не проводит ток от выхода усилителя к точке в цепи с более низким потенциалом напряжения, например к земле (позиции 3 и 4 в таблице). Другими словами, если бы мы использовали усилитель LM393 для эксперимента который только что проводили, зеленый светодиод не светился бы независимо от входных сигналов. Почему это происходит? Здесь более подробно рассмотрим внутреннюю структуру обоих усилителей:

Схема внутреннего устройства операционных усилителей: а) LM358; б) LM393

Схема слева (a) показывает внутреннюю структуру усилителя LM358, а схема справа (b) – LM393. Обе схемы сложны, поэтому не будем вдаваться в подробности. Сосредоточимся только на транзисторах, размещенных перед выходом (помечены как OUT или OUTPUT). В LM358 прямо перед выходом есть два транзистора, которые проводят электричество в разных направлениях (пометили их красным кружком). LM393 имеет только один транзистор непосредственно перед выходом (также в красном кружке), который предотвращает прохождение тока от усилителя через выход к земле (или к части схемы с более низким потенциалом).

Операционный усилитель адаптирован для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи. Дело в том, что часть выходного сигнала может подаваться обратно на вход или наоборот со входа на выход усилителя. Может быть несколько конфигураций с использованием операционного усилителя и усилителя обратной связи (например, суммирующий, вычитающий, интегрирующий и дифференцирующий усилитель), но тут рассмотрим только две из самых простых и наиболее популярных из них – неинвертирующий и инвертирующий.

Неинвертирующий усилитель

Графический символ неинвертирующего усилителя

Напряжение, подаваемое на вход We (+) выше, чем подаваемое на We (-), поэтому выходной сигнал большой, потому что он близок к напряжению питания Uпит, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo (We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит – Uwo). Часть выходного сигнала возвращается через резистор на вход We (-), таким образом этот сигнал становится больше, чем напряжение на We (+), и напряжение на выходе становится близким к 0 В (We (+) < We (-)) =>Wy ~ 0 В). Вследствие падения напряжения на выходе (и отсутствия на нем усиления сигнала на We (-)) напряжение на We (+) снова будет больше We (-).

На практике быстро устанавливается состояние равновесия при котором выходной сигнал будет постоянным. Его размер легко рассчитать по формуле:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

Предположим, что на вход We (+) поступает напряжение 0,5 В, а на выходе хотим получить в 5 раз больше, то есть 2,5 В. Подставим данные в формулу:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

2,5 В = 0,5 В x [(R1 + R2) / R1]

[(R1 + R2) / R1] = 2,5 В / 0,5 В

[(R1 + R2) / R1] = 5

Отношение суммы сопротивлений резисторов R2 и R1 к R1 должно дать нам 5. Итак, предположим, что сопротивление R2 = 10 кОм и R1 = 2,2 кОм (соотношение их сопротивлений составляет 5,54).

Соберем всё на макетной плате по следующей схеме:

Прежде всего необходимо убедиться, что на вход We (+) подается соответствующее напряжение. Для этого подключите вольтметр между землей и третьей ножкой усилителя, а затем поверните ручку потенциометра до тех пор, пока мультиметр не покажет результат 0,5 В (или как можно более близкий).

Теперь измерьте напряжение на выходе усилителя, то есть между первым контактом и массой. Теоретически должны получить результат близкий к 2,5 В. Между тем, показание вольтметра составляет целых 2,88 В.

Откуда эта разница? Помните, мы не использовали резисторы с коэффициентом 5,54, а не 5. Давайте снова подставим данные (на этот раз реальные) в формулу:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

Uwy = 0,51 В x [(2,16 кОм + 10 кОм) / 2,16 кОм

Uwy = 0,51 В x 5,63

Uwy = 2,87 В

Теоретически и практически получили почти такой же результат – 2,87 В.

Инвертирующий усилитель

Графический символ инвертирующего усилителя

Принцип действия будет объяснен на основе схемы:

Некоторым нововведением на схеме выше являются два источника питания (B1, B2), каждый из которых будет иметь напряжение 3 В. Но в нашем распоряжении только одна аккумуляторная батарейка. Это не будет проблемой – подключим вывод из центра за второй батареей. Таким образом получаем два источника питания по 3 В каждый.

Полезное на сайте:

Кроме того для сборки указанной схемы на макетной плате используйте: P1 – потенциометр, R1 – резистор 2,2 кОм, R2 – резистор 10 кОм (резисторы будут иметь такие же номиналы, как и в предыдущем эксперименте), D1 – зеленый светодиод, D2 – красный светодиод.

Подключим узел между источниками напряжения к земле – теоретически это будет нулевая точка. Это сделано только для расчетов.

Теперь проверим что будет, если ползунок потенциометра повернуть как можно дальше к земле. Красный светодиод будет тускло светиться. Почему? Когда регулятор потенциометра P1 заземлен, сигнал, поступающий на усилитель со входа We (+), больше, чем We (-). Посчитаем какое напряжение ожидаем получить на выходе в этом случае.

Uwy = – (R2 / R1) x Uwe (-)

Uwe (-) в этой ситуации связан с точкой, которая по отношению к нашей нулевой точке (теоретической массе) имеет напряжение -3 В, и это значение подставляем в формулу:

Uwy = – (10 кОм / 2,2 кОм) x -3 В

Uwy = – 4,54 x -3 В

Uwy = 13,62 В

На выходе ожидаем 13,62 В – почему? Ведь питаем схему только от 4-х аккумуляторов с общим напряжением 6 В! Можно ли на выходе получить 13,62 В? Конечно нет. Полученный нами теоретический результат лишь доказывает, что усилитель полностью насыщен. В этой ситуации на выходе мы можем получить только предельное напряжение питания, за вычетом падения напряжения на самом усилителе. На практике получился результат: 1,57 В.

Теперь осторожно повернём ручку потенциометра. В какой-то момент красный светодиод погаснет, а зеленый загорится. Чем дальше потенциометр находится от земли, тем большее напряжение будет поступать на вход We (-), пока оно не станет больше чем напряжение на входе We (+). Согласно сказанному, если сигнал на входе We (-) больше сигнала на входе We (+), на выходе получим напряжение близкое к 0 В. Но помните, что резистор R2 соединяет вход We (-) с выходом, тем самым становясь каналом для тока, который каким-то образом обходит усилитель и подключается к току на выходе. Какого напряжения тогда ждем на выходе?

Uwy = – (R2 / R1) x Uwe (-)

Uwe (-) в этой ситуации связан с точкой, которая имеет напряжение +3 В по отношению к нулевой точке (теоретическая масса), и это значение, которое подставим для формулы:

Uwy = – (10 кОм / 2,2 кОм) x + 3 В

Uwy = – 4,54 x 3 В

Uwy = – 13,62 В

Получили тот же результат что и раньше, но со знаком минус.

Почему не получили одинаковые значения, но с противоположными знаками? Причина может заключаться в том, что усилитель работает на предельных значениях, поэтому результат может быть неверным. По этой причине будем выполнять другие измерения в диапазоне, в котором усилитель работает линейно.

Для этого установим ручку потенциометра немного вправо и немного левее от центра.

Вариант 1. На усилитель подадим напряжение + 0,2 В (естественно относительно теоретической нулевой точки). Для этого поднесите красный щуп вольтметра к средней ножке потенциометра, а черный – к третьей ножке усилителя. Осторожно поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет 0,2 В (в этом эксперименте светодиоды можно удалить, чтобы они не мешали измерениям).

Теперь измерьте напряжение на выходе – черный щуп к третьему и красный щуп к первому выводу усилителя. Как и положено настоящему инвертирующему усилителю, после подачи небольшого положительного напряжения получаем на выходе гораздо более высокое напряжение, но со знаком минус!

Вариант 2. Подадим на усилитель напряжение – 0,21 В (опять же по отношению к теоретической нулевой точке). Для этого поднесите красный щуп вольтметра к средней ножке потенциометра, а черный – к третьей ножке усилителя. Осторожно поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет – 0,21 В.

Измерьте выходное напряжение так же, как и раньше (черный щуп к третьему, красный щуп к первому контакту усилителя). Результат станет таким же, но на этот раз со знаком плюс.

Для обобщения информации о неинвертирующем и инвертирующем усилителе будут использованы два графика:

Неинвертирующий усилитель – небольшой сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (тоже положительный)

Инвертирующий усилитель – небольшой сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (отрицательный), а небольшой сигнал на входе (отрицательный) даст большой сигнал на выходе (положительный).

Конечно это простейшие схемы включения ОУ, и есть ещё немало всяких нюансов, но если вы хорошо поймёте хотя бы это, то уже встанете на более высокую ступень радиолюбительства!