低功耗双运算放大器LM158、LM258、LM358系列解析

在电子设计领域，运算放大器是一种非常重要的基础元件。今天我们来详细探讨一下LM158、LM258、LM358及其改进型号LM158A、LM258A、LM358A这一系列低功耗双运算放大器。

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一、产品概述

这一系列的运算放大器由两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器组成，专门设计用于在宽电压范围内的单电源供电下工作。其低功耗特性使得电源消耗与电源电压的大小无关，这在很多对功耗有要求的应用场景中非常实用。

（一）产品特性

1. 内部频率补偿：内部实现频率补偿，简化了外部电路设计，降低了设计难度。
2. 高直流电压增益：高达100 dB的直流电压增益，能够满足很多对信号放大要求较高的应用。
3. 宽带宽：在温度补偿的情况下，单位增益带宽达到1.1 MHz，保证了信号在较宽频率范围内的稳定放大。
4. 低功耗：每通道的电源电流非常低，且基本与电源电压无关。
5. 低输入偏置电流：温度补偿后输入偏置电流低至20 nA，减少了对输入信号的影响。
6. 低输入失调电压和电流：输入失调电压为2 mV，输入失调电流为2 nA，提高了放大器的精度。
7. 宽输入共模电压范围：输入共模电压范围包含负电源轨，且差分输入电压范围等于电源电压。
8. 大输出电压摆幅：输出电压摆幅从0V到((V_{CC^{+}} - 1.5 ~V))，能够适应不同的负载需求。

（二）相关产品

如果需要增强ESD防护等级，可以考虑LM158W；对于汽车级应用，可以选择LM2904和LM2904W。

二、产品参数

（一）绝对最大额定值

参数	LM158,A	LM258,A	LM358,A	单位
电源电压 (V_{CC})	±16或32			V
输入电压 (V_{i})	-0.3 到 32
差分输入电压 (V_{id})	±32
输出短路持续时间	无限
输入电流 (I_{in})	直流5 mA或交流50 mA（占空比10%，T = 1 s）			mA
工作自由空气温度范围 (T_{oper})	-55 到 125	-40 到 105	0 到 70	°C
储存温度范围 (T_{stg})	-65 到 150
最大结温 (T_{j})	150
热阻（结到环境） (R_{thja})	SO8：125 MiniSO8：190 DFN8 2x2：57 TSSOP8：120			°C/W
热阻（结到外壳） (R_{thjc})	SO8：40 MiniSO8：39 TSSOP8：37
ESD（HBM）	300			V
ESD（MM）	200
ESD（CDM）	1.5			kV

（二）工作条件

参数	值	单位
电源电压 (V_{cc})	3 到 30	V
共模输入电压范围（Tamb = 25°C）	((V{cc}-)) 到 ((V{cc}+ - 1.5))
共模输入电压范围（(T{min} ≤ Tamb ≤ T{max})）	((V{cc}-)) 到 ((V{cc}+ - 2))
工作自由空气温度范围	LM158：-55 到 125 LM258：-40 到 105 LM358：0 到 70

（三）电气特性

这里以 (V{CC^{+}} = 5 ~V)，(V{CC^{-}} = Ground)，(V_{o} = 1.4 ~V)，(Tamb = 25^{circ} C) 为例，给出部分电气特性参数：	参数	最小值	典型值	最大值	单位
输入失调电压 (V_{io})	不同型号有差异			mV
输入失调电压漂移 (Delta V_{io}/Delta T)	不同型号有差异			µV/°C
输入失调电流 (I_{io})	不同型号有差异			nA
输入失调电流漂移 (Delta I_{io}/Delta T)	不同型号有差异			pA/°C
输入偏置电流 (I_{ib})	不同型号有差异			nA
大信号电压增益 (A_{vd})	65	100		V/mV
电源电压抑制比 (SVR)	65			dB
共模抑制比 (CMR)	60			dB
输出电流源 (I_{source})	不同条件下有差异			mA
输出灌电流 (I_{sink})	不同条件下有差异			mA
高电平输出电压 (V_{OH})	不同条件下有差异			V
低电平输出电压 (V_{oL})	不同条件下有差异			mV
压摆率 (SR)	0.3	0.6		V/µs
增益带宽积 (GBP)	0.7	1.1		MHz
总谐波失真 (THD)		0.02		%
等效输入噪声电压 (e_{n})		55		nV/√Hz
通道分离度 (V{o1}/V{o2})	120			dB

三、电气特性曲线

文档中给出了多个电气特性曲线，包括开环频率响应、大信号频率响应、电压跟随器脉冲响应、输入电流、输出电压与源电流和灌电流的关系、电流限制、输入电压范围、开环增益、电源电流、增益带宽积、电源抑制比、共模抑制比、相位裕度与容性负载的关系等。这些曲线直观地展示了放大器在不同条件下的性能表现，对于工程师在设计电路时选择合适的工作点和参数非常有帮助。

四、典型应用

（一）交流耦合反相放大器

可以实现信号的反相放大，在音频等交流信号处理中较为常见。

（二）同相直流放大器

用于直流信号的放大，增益可以根据电路参数进行调整。

（三）交流耦合同相放大器

结合了交流耦合和同相放大的特点，适用于交流信号的处理。

（四）直流求和放大器

可以对多个直流信号进行求和运算。

（五）高输入阻抗直流差分放大器

能够处理差分信号，并且具有高输入阻抗，减少对信号源的影响。

（六）高输入阻抗可调增益直流仪表放大器

可根据需要调整增益，用于仪表测量等应用。

（七）低漂移峰值检测器

用于检测信号的峰值，在信号处理和检测中很有用。

（八）有源带通滤波器

可以对特定频率范围内的信号进行滤波处理。

五、封装信息

该系列产品提供了多种封装形式，包括SO8、MiniSO8、DFN8 2x2和TSSOP8。每种封装都有其特定的机械尺寸和引脚定义，工程师可以根据实际应用需求选择合适的封装。

（一）SO8封装

尺寸相对较大，引脚间距为1.27 mm，适用于对空间要求不是特别严格的应用。

（二）MiniSO8封装

尺寸较小，引脚间距为0.65 mm，适合对空间有一定要求的应用。

（三）DFN8 2x2封装

尺寸最小，引脚间距为0.50 mm，适用于对空间要求极高的应用。其暴露焊盘可以悬空或接地。

（四）TSSOP8封装

引脚间距为0.65 mm，在尺寸和性能上有较好的平衡。

六、订购信息

不同的型号对应不同的温度范围、封装和包装形式，工程师在订购时需要根据实际需求进行选择。例如，LM158QT适用于 -55°C 到 125°C 的温度范围，采用DFN8 2x2封装；LM258AYDT为汽车级产品，采用SO8封装。

七、总结

LM158、LM258、LM358系列低功耗双运算放大器具有多种优良特性，适用于多种应用场景。在设计电路时，工程师需要根据具体的需求，如工作温度范围、电源电压、增益要求、输入输出特性等，选择合适的型号和封装。同时，参考电气特性曲线和典型应用电路，可以帮助我们更好地实现电路设计目标。大家在实际应用中有没有遇到过这些放大器的一些特殊问题呢？欢迎在评论区分享交流。