Wie LM358 in Verstärker- und Komparator-Schaltungen funktioniert

Der LM358 Dual-OP-AMP-IC enthält zwei unabhängige Operationsverstärker in einem Gehäuse, was die Schaltungsgröße und die Anzahl der Bauteile reduziert. Da er mit einer einzelnen Stromversorgung arbeiten kann und Eingangssignale nah an der Erde akzeptiert, ist er in vielen Niederspannungs- und batteriebetriebenen Schaltungen einfacher zu verwenden. Dieser Artikel erklärt den LM358 in einer vollständigen, aber leicht verständlichen Weise. Er behandelt die Pinbelegung des IC, die interne Struktur, Merkmale, Spezifikationen, funktionierende Schaltungen und mehr.

Katalog

LM358 Dual OP-AMP IC Grundlagen

Der LM358 ist ein dualer Operationsverstärker-IC, der zwei unabhängige Operationsverstärker in einem Gehäuse enthält. Er ist für einen niedrigen Stromverbrauch ausgelegt und kann mit einer einzigen Stromversorgung betrieben werden. Die LM358-Serie unterstützt auch einen gemeinsamen Eingangsspannungsbereich, der die Erde einschließt, was die Verwendung in Schaltungsdesigns mit einer einzigen Versorgung einfacher macht.

Der LM358 kann bei Betriebsspannungen von bis zu 3,0 V und bis zu 32 V arbeiten. Er hat auch einen niedrigen Ruhestrom im Vergleich zu älteren Standard-Operationsverstärker-ICs. Sein Ausgangsspannungsbereich umfasst die negative Versorgungsspannung, was die Notwendigkeit zusätzlicher Bias-Elemente reduziert.

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LM358 Dual OP-AMP IC Pinbelegung Details

Pin Nr.	Pin Name	Beschreibung
1	Ausgang A	Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers A.
2	Inverting Input A (-)	Inverting-Eingang des Operationsverstärkers A. Hier angelegte Signale werden mit Phaseninvertierung verstärkt.
3	Non-Inverting Input A (+)	Non-Inverting-Eingang des Operationsverstärkers A. Hier angelegte Signale werden ohne Phaseninvertierung verstärkt.
4	VEE / GND	Negativer Spannungsversorgung Anschlusspunkt. Bei Betrieb mit einer einzelnen Stromversorgung ist dieser Pin normalerweise mit der Erde verbunden.
5	Non-Inverting Input B (+)	Non-Inverting-Eingang des Operationsverstärkers B.
6	Inverting Input B (-)	Inverting-Eingang des Operationsverstärkers B.
7	Ausgang B	Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers B.
8	VCC	Positiver Spannungsversorgung Anschlusspunkt. Unterstützt den Betrieb von 3 V bis 32 V in Konfigurationen mit einer einzigen Stromversorgung.

Alternativen & Äquivalente Modelle

Teilenummer	Beschreibung	Wichtige Hinweise
LM258	Dualer Operationsverstärker	Industrie-Temperaturversion des LM358 mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften.
LM2904	Dualer Operationsverstärker	Automobil- und industrietaugliches Äquivalent des LM358.
LM358A	Verbesserte LM358 Version	Bietet bessere Offsetspannung und genauere Leistungsspezifikationen.
LM2904A	Verbesserte LM2904-Version	Verbesserte Genauigkeit und niedrigerer Offset im Vergleich zum Standard-LM2904.
LM358B	Verbesserter dualer Op-Amp	Verbesserte Präzision, niedrigere Offsetspannung und bessere Gesamtleistung.
LM2904B	Verbesserter Op-Amp in Automobilqualität	Verbesserte Version des LM2904 mit höherer Genauigkeit.
RC4558	Dualer operationsverstärker	Universeller dualer Op-Amp, oft als alternative zum LM358 verwendet, jedoch mit anderen Eingangs-/Ausgangseigenschaften.
TL082	JFET-Eingang dualer Op-Amp	Bietet hohe Eingangsimpedanz und niedrigen Eingangsbiasstrom.
TL072	Niedrigrausch JFET-Eingang dualer Op-Amp	Geeignet für Anwendungen, die niedriges Rauschen und hohe Eingangsimpedanz erfordern.
MCP6002	Rail-to-Rail dualer Op-Amp	Arbeitet bei niedrigeren Spannungen und bietet Rail-to-Rail Eingangs-/Ausgangsleistung.
LMV358	Niederspannungs dualer Op-Amp	Entwickelt für den Betrieb mit niedriger Leistung und niedriger Spannung.
OPA2333	Präziser dualer Op-Amp	Null-Drift- Architektur mit sehr niedriger Offsetspannung und hoher Genauigkeit.

LM358 Schematisches Blockdiagramm

Der LM358 verwendet eine differentielle Eingangs-Stufe, die aus den Transistoren Q1 bis Q4 besteht. Diese Stufe vergleicht die an den invertierenden und nicht invertierenden Eingängen angelegten Spannungen und wandelt die Differenz in ein internes Steuersignal um. Die Stromquellen-Transistoren liefern stabile Biasströme, die helfen, einen konsistenten Betrieb bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen und Temperaturen aufrechtzuerhalten.

Das verstärkte Signal von der Eingangs-Stufe wird dann von der Spannungsverstärkungsstufe verarbeitet, die Transistoren wie Q10 und Q11 umfasst. Dieser Abschnitt liefert den größten Teil der Spannungsverstärkung, die vom Operationsverstärker benötigt wird. Der Kompensationskondensator (Cc) ist in das Design integriert, um die Stabilität zu verbessern und unerwünschte Oszillationen während des Betriebs zu verhindern.

Die Ausgangsstufe besteht aus den Transistoren Q5, Q6, Q7 und Q13. Diese Stufe erhöht die Stromtreiberfähigkeit des Verstärkers und liefert das endgültige Ausgangssignal an die Last. Der Ausgang kann nahe an die Masse-Leitung schwingen, wodurch der LM358 gut für den Betrieb mit einzelner Versorgung geeignet ist.

LM358 Eigenschaften und Spezifikationen

Kategorie	Parameter	Spezifikation
Allgemein	Gerätetyp	Dualer Operationsverstärker
	Anzahl der Verstärker	2
	Interne Kompensation	Einheitlichem Gewinn stabil
	Paket Optionen	PDIP, SOIC, TO-99, DSBGA
Funktionen	DC-Spannungsverstärkung	100 dB (Typisch)
	Verstärkungs-Bandbreite Produkt	1 MHz
	Eingangsoffset Spannung	2 mV (Typisch)
	Eingangs- Gemeinschaftsmodusbereich	Einschließlich Erdung
	Differenzielle Eingangsspannungsbereich	Gleich der Versorgungsspannung
	Ausgangsspannungs- Schwankung	Große Ausgangs- Schwankung
	Ausgangsschwankung zur Erde	Unterstützt
	Temperatur Kompensation	Einheitliches Verstärkungsfrequenz und Eingangsbiasstrom
	Logik Kompatibilität	Kompatibel mit verschiedenen Logikfamilien
	Batterie- Betrieb	Geeignet für batteriebetriebene Anwendungen
Versorgung	Einzelne Versorgungsspannungsbereich	3 V bis 32 V
	Duale Versorgungsspannungsspanne	±1,5 V bis ±16 V
	Ruhestrom	500 µA (Typisch)
Elektrische Eigenschaften	Offene Schleife Spannungsverstärkung	100 dB
	Verstärkungs-Bandbreite Produkt	1 MHz
	Slew Rate	0.3 V/µs
	Eingangsbias Strom	20 nA (Typisch)
	Eingangsimpedanz	Hoch
	Ausgangsstrom- Fähigkeit	Bis zu 20 mA (Typisch)
	Gemeinschafts- Spannungsbereich	0 V bis (VCC − 1,5 V)
Temperatur	Betriebstemperaturbereich	-55°C bis +125°C
	Lagertemperaturbereich	-65°C bis +150°C
Absolute maximale Werte	Maximale Versorgungsspannung (V+)	32 V
	Maximale differentielle Eingangsspannung	32 V
	Eingangs- spannungsbereich	-0,3 V bis 32 V
	Eingangsstrom (VIN < -0.3 V)	50 mA
	Ausgangsschluss kurzschluss zur Erde	Dauerhaft (Ein Verstärker)
Leistungs- Verlust	PDIP-Paket	830 mW
	TO-99-Paket	550 mW
	SOIC-Paket	530 mW
	DSBGA-Paket	435 mW
Lötgrenzen	PDIP-Paket (10 s)	260°C
	SOIC-Dampfphase (60 s)	215°C
	SOIC Infrarot (15 s)	220°C
	TO-99 Gehäuse (10 s)	300°C

LM358 Arbeitskreis

LM358 Temperaturregler-Schaltung

In dieser Schaltung arbeitet der LM358 als Spannungsvergleicher zur Temperaturüberwachung und -regelung. Ein NTC-Thermistor erkennt Temperaturänderungen, indem er seinen Widerstand variiert. Mit steigender Temperatur verringert sich der Widerstand des NTC, wodurch sich die Spannung an einem Eingang des LM358 ändert.

Ein Potentiometer liefert eine einstellbare Referenzspannung für den anderen Eingang des LM358. Der Verstärker vergleicht kontinuierlich die Thermistor-Spannung mit der Referenzspannung. Wenn die gemessene Temperatur den voreingestellten Schwellenwert überschreitet, ändert sich der Ausgang des LM358.

Der Ausgang steuert den Transistor Q1 über den Widerstand R1. Wenn Q1 aktiviert wird, energisiert es das Relais K1, wodurch Strom an den Heizer geliefert werden kann. Diode D4 schützt den Transistor vor Spannungsspitzen, die durch die Relais-Spule erzeugt werden. Diese Anordnung ermöglicht eine automatische Temperaturregelung basierend auf dem benutzerdefinierten Sollwert.

LM358 Zwei-Stufen-Signalverstärker-Schaltung

Diese Schaltung nutzt beide Operationsverstärker im LM358, um zwei Stufen der Signalverstärkung bereitzustellen. Das Eingangssignal passiert zunächst den Kondensator C2, der Gleichstromkomponenten blockiert und nur das Wechselstromsignal in den Verstärker lässt.

Die erste Verstärkungsstufe (U1A) verstärkt das eingehende Signal mit Hilfe eines Rückkopplungsnetzwerks, das aus R1 und C1 besteht. Der verstärkte Ausgang wird dann durch das Potentiometer R5 geleitet, das eine Anpassung des Signalpegels ermöglicht, bevor es die zweite Stufe erreicht.

Die zweite Verstärkungsstufe (U1B) bietet zusätzliche Verstärkung und Filterung. Die Komponenten R9 und C3 bestimmen die Verstärkung und die Frequenzgang der Stufe. Der Kondensator C4 koppelt die beiden Stufen, während er unerwünschten Gleichstromübertrag verhindert.

Die LED und der Widerstand R10 dienen als Stromindikator. Zusammen erhöhen beide LM358-Verstärker die Signalstärke, verbessern die Konditionierung und liefern einen kontrollierten Ausgang, der für die weitere analoge Verarbeitung geeignet ist.

Anwendungen des LM358

Sensor-Signal-Konditionierung

Der LM358 wird verwendet, um schwache Sensorsignale zu verstärken, bevor sie von Controllern, Messgeräten oder Verarbeitungsanwendungen gelesen werden. Er ist geeignet für Sensoren, die kleine Spannungsänderungen erzeugen, wie Temperatur, Licht, Druck und Gassensoren.

Spannungsvergleich

Der LM358 kann eine Eingangsspannung mit einer Referenzspannung vergleichen und seine Ausgangsspannung ändern, wenn der Eingang einen festgelegten Pegel erreicht. Dies macht ihn nützlich für Schwellenwert-erkennung, Warnungen bei schwacher Batterie und Schutzschaltungen.

Aktive Filter-Schaltungen

Der LM358 kann in aktiven Filtersystemen eingesetzt werden, um nützliche Signale von unerwünschten Frequenzen zu trennen. Er unterstützt Konstruktionen für Tiefpass-, Hochpass- und Bandpassfilter für Audio-, Mess- und Steuerungssysteme.

Audio-Vorverstärkung

Der LM358 kann schwache Audiosignale verstärken, bevor sie in eine weitere Verstärkungsstufe gelangen. Er wird häufig in einfachen Mikrofon-, Klangregelungs- und grundlegenden Audio-Vorverstärkerschaltungen eingesetzt.

Oszillator- und Wellenform-Generierung

Der LM358 kann so konfiguriert werden, dass er wiederholte Wellenformen wie Rechteckwellen und Dreieckswellen erzeugt. Diese Schaltungen sind nützlich für Zeitmessung, Signaltests und grundlegende Steuerungsfunktionen.

Strommessung

Der LM358 kann die kleine Spannung über einem Shunt-Widerstand verstärken, um den Stromfluss zu messen. Dies ist nützlich in Batterieladegeräten, Motorsteuerungen, Stromversorgungen und Lastüberwachungsschaltungen.

Überwachung der Stromversorgung

Der LM358 kann die Versorgungsspannungspegel überwachen und anomale Bedingungen wie Unterspannung oder Überspannung erkennen. Dies verbessert die Sicherheit der Schaltung, indem Alarme, Abschaltsignale oder Steuerungsaktionen ausgelöst werden.

Temperaturregelung

Der LM358 kann mit Thermistoren oder Temperatursensoren zusammenarbeiten, um Heizer, Ventilatoren oder Alarme zu steuern. Er vergleicht die gemessene Temperatur mit einer festgelegten Referenzspannung und schaltet den Ausgang, wenn die Grenze erreicht ist.

LM358 vs Andere Operationsverstärker

Merkmal	LM358	LM324	LM2904	LM741	LMV358	TL082
Anzahl der Op-Amps	2	4	2	1	2	2
Versorgungs-Spannungsbereich	3V bis 32V	3V bis 32V	3V bis 26V	±10V bis ±18V	2.7V bis 5.5V	±5V bis ±18V
Betrieb mit einer einzigen Versorgung	Ja	Ja	Ja	Einschränkung	Ja	Ja
Rail-to-Rail-Ausgang	Nein	Nein	Nein	Nein	Nahezu Rail-to-Rail	Nein
Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt	1 MHz	1 MHz	1 MHz	1 MHz	1 MHz	3 MHz
Slew-Rate	0,3 V/µs	0,5 V/µs	0,3 V/µs	0,5 V/µs	1 V/µs	13 V/µs
Eingangsoffsetspannung (typisch)	2 mV	2 mV	2 mV	1 mV	1 mV	3 mV
Eingangs-Bias-Strom (typisch)	20 nA	20 nA	20 nA	80 nA	1 pA	65 pA
Eingangs-Gleichstromumgebung enthält Erdung	Ja	Ja	Ja	Nein	Ja	Nein
Ausgang kann nahe der Erdung schwingen	Ja	Ja	Ja	Nein	Ja	Nein
Ruhestrom	500 µA	700 µA	500 µA	1,7 mA	210 µA	1,4 mA
Betriebstemperatur	-55 °C bis +125 °C	0 °C bis +70 °C*	-40 °C bis +125 °C	0 °C bis +70 °C*	-40 °C bis +125 °C	0 °C bis +70 °C*
Am besten geeignet für	Allgemeine analoge Schaltungen	Mehrere Op-Amp-Designs	Automobil- und industriellen Systeme	Legacy-analoge Designs	Niedervolt tragbare Geräte	Hochgeschwindigkeits- und Audioschaltungen

LM358 mechanische Abmessungen

Hersteller

ON Semiconductor (onsemi) stellt den LM358 mit ausgereiften Verfahren zur Herstellung analoger Halbleiter her, die für die Massenproduktion optimiert sind und kosteneffizient sind. Das Unternehmen unterstützt eine breite Palette von Verpackungsoptionen, darunter THT- und SMD-Varianten, um den Anforderungen von Anwendungen in den Bereichen Konsumgüter, Industrie, Automobil und Energieverwaltung gerecht zu werden. Die Fertigungskapazitäten von onsemi umfassen automatisierte Wafer-Herstellung, Montage, Test- und Qualitätskontrollverfahren, die eine konsistente elektrische Leistung und langfristige Zuverlässigkeit gewährleisten. Durch sein globales Produktions- und Lieferkettennetz kann onsemi LM358-Bauteile in großen Mengen bereitstellen und gleichzeitig die Einhaltung der branchenüblichen Qualitäts- und Umweltstandards gewährleisten.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Warum ist der LM358 für Stromversorgungs-Schaltungen im Vergleich zu älteren Op-Amps wie dem LM741 bevorzugt?

Der LM358 kann aus einer einzigen Stromversorgung betrieben werden und akzeptiert Eingangsspannungen bis hinunter auf Erdpotential. Der LM741 benötigt typischerweise duale Stromversorgungen und kann erdbezogene Signale nicht so einfach verarbeiten.

2. Was passiert, wenn der LM358 in einer Hochfrequenz-Signal-Anwendung verwendet wird?

Der LM358 hat eine Bandbreite von etwa 1 MHz und eine Slew-Rate von 0,3 V/µs. Hochfrequenzsignale können Verzerrungen, reduzierten Gewinn oder langsamere Reaktionen im Vergleich zu schnelleren Op-Amps erfahren.

3. Können beide Op-Amps im LM358 unabhängig im selben Schaltkreis verwendet werden?

Ja. Der LM358 enthält zwei separate Operationsverstärker, die innerhalb desselben Designs unterschiedliche Funktionen ausführen können, wie z. B. Verstärkung und Spannungsvergleich.

4. Warum produziert der LM358 keinen Ausgang, der die positive Versorgungsspannung erreicht?

Der LM358 ist kein Rail-to-Rail-Op-Amp. Sein Ausgang kann nahe der Erde swing und bleibt typischerweise etwa 1,5 V unter der positiven Versorgungsschiene.

5. Kann der LM358 zur Messung des Stroms in einem Leistungsstromkreis verwendet werden?

Ja. Er kann die kleine Spannung verstärken, die über einem Shunt-Widerstand entwickelt wird, wodurch Strommessungen in Batterie-Ladegeräten, Netzteilen und Motorsteuerungsschaltungen möglich sind.

6. Warum werden Entkopplungskondensatoren empfohlen, wenn der LM358 verwendet wird?

Entkopplungskondensatoren helfen, das Geräusch der Stromversorgung zu filtern und die Stabilität der Schaltung zu verbessern, wodurch das Risiko unerwünschter Oszillationen oder ungenauer Ausgangssignale verringert wird.