LF351 Weitband-JFET-Op-Amp erklärt

Der LF351 Op-Amp IC ist ein einzelner JFET-Eingangs-Operationsverstärker, der für analoge Schaltungen entwickelt wurde, die eine hohe Eingangsimpedanz, einen niedrigen Eingangsstrom und eine gute Signalgeschwindigkeit benötigen. Im Gegensatz zu einfachen bipolaren Operationsverstärkern wie dem LM741 verwendet der LF351 eine JFET-Eingangs-Stufe, sodass er schwache oder hochgradige Signale verarbeiten kann, ohne die Quelle zu stark zu belasten. In diesem Artikel erfahren Sie, was der LF351 ist, wie die Pinbelegung funktioniert, was die Werte im Datenblatt bedeuten, wie er in realen Anwendungen abschneidet und wie er im Vergleich zu Alternativen wie dem LM741 und TL071 abschneidet.

Katalog

LF351 Pinbelegung und Pin-Funktionen

Pin Nummer	Pin Name	Funktion
1	Offset Null	Wird verwendet, um die Eingangs-Offset-Spannung anzupassen oder zu reduzieren. Normalerweise mit Pin 5 und einem Potentiometer verbunden, wenn eine Offset-Anpassung erforderlich ist.
2	Invertierender Eingang	Der negative Eingangsanschluss des Op-Amps. Das Ausgangssignal wird invertiert, wenn das Eingangssignal hier angelegt wird.
3	Nicht-invertierender Eingang	Der positive Eingangsanschluss des Op-Amps. Das Ausgangssignal behält die gleiche Phase, wenn das Eingangssignal hier angelegt wird.
4	VCC− / V−	Negativer Versorgungsspannungsanschluss. In Dual-Versorgungsschaltungen wird dieser normalerweise mit der negativen Spannungsreling verbunden.
5	Offset Null	Wird zusammen mit Pin 1 zur Anpassung der Offset-Spannung verwendet. Es kann ungenutzt bleiben, wenn keine Offset-Anpassung erforderlich ist.
6	Ausgang	Ausgangspin des Op-Amps. Das verstärkte Signal wird von diesem Pin ausgegeben.
7	VCC+ / V+	Positiver Versorgungsspannungsanschluss. Dies liefert die positive Betriebsspannung für den IC.
8	NC	Keine interne Verbindung. Dieser Pin bleibt normalerweise unverbunden.

LF351 Datenblatt-Spezifikationen

Kategorie	Spezifikation	Wert	Einheit
Versorgungsspannung	Maximale Versorgungsspannung	±18	V
Eingangsbereich	Maximale Eingangsspannung	±15	V
	Differenzielle Eingangsspannung	±30	V
Eingangsgenauigkeit	Eingangs-Offset-Spannung	3 typisch, 10 max	mV
	Drift der Eingangs-Offset-Spannung	10	µV/°C
Eingangsstrom	Eingangs-Offset-Strom	5 typisch, 100 max	pA
	Eingangs-Bias-Strom	20 typisch, 200 max	pA
Spannungsgain	Großer signal Spannungsgain	50 min, 200 typisch	V/mV
Versorgungsablehnung	Versorgungs-Spannungs-Ablehnung-Verhältnis	80 min, 86 typisch	dB
Versorgungsstrom	Entlastungs-Versorgungsstrom	1.4 typisch, 3.4 max	mA
Eingangsbereich	Eingangs-common-mode Spannungsbereich	±11 min, +15/-12 typisch	V
Geräuschunterdrückung	Gemeinsame Unterdrückung Ratio	70 min, 86 typisch	dB
Ausgangswertung	Ausgangs-kurzschlussstrom	10 min, 40 typisch, 60 max	mA
Ausgangsumschlag	Ausgangsspannungsumschlag, RL = 2kΩ	±10 min, ±12 typisch	V
	Ausgangsspannungsumschlag, RL = 10kΩ	±12 min, ±13.5 typisch	V
Geschwindigkeit	Slew-Rate	12 min, 16 typisch	V/µs
	Anstiegszeit	0.1	µs
Stabilität	Überschwingfaktor	10	%
Bandbreite	Gewinn-Bandbreitenprodukt	2.5 min, 4 typisch	MHz
Eingangsimpedanz	Eingangswiderstand	10¹²	Ω
Audioleistung	Gesamtverzerrung	0.01	%
Geräusch	Äquivalente Eingangsrauschspannung	15	nV/√Hz
Stabilität	Phasenmarge	45	Grad
Thermische Bewertung	Übergang-zu-Umgebung thermischer Widerstand, SO-8	125	°C/W
	Übergang-zu-Umgebung thermischer Widerstand, DIP8	85	°C/W
	Übergang-zu-Gehäuse thermischer Widerstand, SO-8	40	°C/W
	Übergang-zu-Gehäuse thermischer Widerstand, DIP8	41	°C/W
Lagerung	Lagerungstemperaturbereich	-65 bis +150	°C
ESD-Schutz	Menschlicher Körper Modell	500	V
	Maschinenmodell	200	V
	Geladene Geräte Modell	1.5	kV

Wie der LF351 Op-Amp funktioniert

Der LF351 funktioniert, indem er die Spannung an seinem nicht-invertierenden Eingang und dem invertierenden Eingang vergleicht. Wenn der nicht-invertierende Eingang höher ist, bewegt sich der Ausgang positiv. Wenn der invertierende Eingang höher ist, bewegt sich der Ausgang negativ. Der kleine Spannungsunterschied zwischen den beiden Eingängen wird in ein größeres Ausgangssignal verstärkt.

Seine Eingangs-Stufe verwendet JFET-Transistoren, die dem LF351 eine sehr hohe Eingangsimpedanz und einen sehr niedrigen Eingangs-Biasstrom geben. Das bedeutet, dass er nicht viel Strom von der Signalquelle zieht. Aus diesem Grund ist er nützlich für hochimpedante Sensoren, Audio-Vorverstärker, aktive Filter und Signalbearbeitungsschaltungen.

Innerhalb des ICs durchläuft das Signal Verstärkungsstufen, die das Spannungsniveau erhöhen. Der LF351 ist intern kompensiert, sodass er in gemeinsamen Rückkopplungsschaltungen wie Spannungsfolgern, invertierenden Verstärkern und nicht-invertierenden Verstärkern ohne zusätzliche Kompensationsbauteile arbeiten kann.

Die Offset-Null-Pins ermöglichen es, kleine Eingangs-Offset-Fehler anzupassen. Dies hilft, unerwünschte Ausgangsfehler zu reduzieren, wenn beide Eingänge gleich sein sollten.

Die Ausgangsstufe liefert das verstärkte Signal an den Ausgangspin. Allerdings ist der LF351 nicht rail-to-rail, sodass der Ausgang nicht vollständig auf die positive oder negative Versorgungsspannung schwanken kann. Für die beste Leistung sollte er mit einer geeigneten Versorgungsspannung betrieben werden, oft in Dual-Versorgungsanalogen Schaltungen.

LF351 Hauptmerkmale

• JFET Eingangsstufe - Bietet eine sehr hohe Eingangsimpedanz und einen sehr niedrigen Eingangs-Biasstrom, was ihn für schwache oder hochimpedante Signale geeignet macht.

• Breite Bandbreite - Der LF351 hat ein typisches Gewinn-Bandbreitenprodukt von 4 MHz, was ihm hilft, schnellere analoge Signale als ältere Operationsverstärker zu verarbeiten.

• Hohe Slew-Rate - Mit einer typischen Slew-Rate von 16 V/µs kann er schnell auf sich ändernde Eingangssignale reagieren.

• Niedriger Eingangs-Biasstrom - Sein typischer Eingangs-Biasstrom ist sehr gering, was ihn für Sensorschaltungen und präzise Signaleingänge nützlich macht.

• Interne Frequenzkompensation - Das IC ist intern kompensiert, sodass es einfacher in gemeinsamen Verstärkerschaltungen ohne zusätzliche Kompensationsbauteile zu verwenden ist.

• Offset-Null-Einstellung - Pins 1 und 5 ermöglichen die Anpassung der Offsetspannung, wenn eine bessere DC-Genauigkeit erforderlich ist.

• Gute Eingangsimpedanz - Der hohe Eingangswiderstand hilft, Signalverluste von hochwiderstandsfähigen Quellen zu verhindern.

• Kurzschlussschutz - Der Ausgang hat Schutz gegen Kurzschlussbedingungen, was die Sicherheit des Geräts in Fehlersituationen verbessert.

• Geeignet für analoge Signalkreisen - Er wird häufig in aktiven Filtern, Audio-Vorverstärkern, Oszillatoren, Puffern und Signalbearbeitungsschaltungen verwendet.

LF351 Anwendungs-Schaltbild

Das Diagramm zeigt zwei gängige LF351-Anwendungsschaltungen: einen Rechteckwellenoszillator und einen Hoch-Q-Notch-Filter. Diese Schaltungen verwenden den LF351 als aktives analoges Gerät, nicht nur als einfachen Spannungsverstärker. Der LF351 funktioniert hier gut, da er eine JFET-Eingangsstufe, eine hohe Eingangsimpedanz, eine breite Bandbreite und eine gute Geschwindigkeit hat.

Im Rechteckwellenoszillator wird der LF351 von einer dualen Versorgung mit +15V und -15V gespeist. Der Kondensator C_Fgeladen und entlädt sich durch den Rückkopplungswiderstand R_F. Während die Spannung am Kondensator steigt und fällt, wechselt der LF351 seinen Ausgang zwischen hohen und niedrigen Pegeln und erzeugt eine Rechteckwelle. Die Frequenz der Oszillation wird hauptsächlich durch R_F und C_F festgelegt, unter Verwendung der Formel:

In diesem Beispiel erzeugt die Schaltung eine sehr niedrige Frequenz von etwa 0,5 Hz.

Im Hoch-Q-Notch-Filter wird der LF351 verwendet, um eine spezifische unerwünschte Frequenz zu entfernen oder zu reduzieren, während andere Frequenzen durchgelassen werden. Das Widerstands- und Kondensatornetzwerk, das an den Eingang angeschlossen ist, legt die Notch-Frequenz fest. Die angezeigte Formel ist fo=1/(2πR₁ C₁ ), und die Beispielwerte ergeben eine Notch-Frequenz von etwa 1 kHz. Diese Art von Schaltung ist nützlich zur Entfernung von schmalbandigem Rauschen, Tonstörungen oder unerwünschten Signalbestandteilen.

Diese Beispiele zeigen, dass der LF351 für Timing-, Filter- und Signalaufbereitungsschaltungen geeignet ist. Um ihn korrekt zu verwenden, muss die Stromversorgung den Anforderungen der Schaltung entsprechen, die Rückkopplungskomponenten müssen basierend auf der Ziel Frequenz ausgewählt werden, und die Ausgangslast sollte nicht zu schwer sein. Da der LF351 nicht rail-to-rail ist, wird sein Ausgang die volle Versorgungsspannung nicht erreichen, sodass genügend Versorgungsreserven für einen ordnungsgemäßen Betrieb benötigt werden.

Häufige LF351-Anwendungen

Audioequipment

Der LF351 kann in Audiovorpreamplifiers, Tonsteuergeräten, Mischern und Grundgleichsteller-Stufen verwendet werden. Seine hohe Eingangsimpedanz hilft, schwache Audiosignale ohne Belastung der Quelle zu akzeptieren. Er ist für den allgemeinen Audioeinsatz geeignet, aber neuere Rauschunterdrückungs-Operationsverstärker sind möglicherweise besser für High-End-Audiosysteme.

Sensor-Schnittstellensysteme

Der LF351 ist nützlich in Systemen, die Signale von hochimpedanten Sensoren lesen. Er kann helfen, Signale von Lichtsensoren, piezoelektrischen Sensoren, chemischen Sonden und anderen Wandlern zu verarbeiten, bevor das Signal von einem anderen Gerät verarbeitet wird.

Prüf- und Messtechnik

Der LF351 ist in analoger Testtechnik wie Signalgeneratoren, Wellenformgeneratoren, Frequenzfiltern und Messgeräten zu finden. Seine breite Bandbreite und gute Slew-Rate helfen ihm, sich ändernde analoge Signale effektiver zu behandeln als ältere, universelle Operationsverstärker.

Industrielle Steuergeräte

Der LF351 kann in industriellen Steuerungssystemen eingesetzt werden, die eine Verstärkung oder Aufbereitung von analogen Signalen benötigen. Er kann helfen, Steuerungssignale von Sensoren, Rückkopplungsnetzwerken und Überwachungsschaltungen zu verarbeiten, bevor sie an Steuerungen oder Anzeigeeinheiten gesendet werden.

Kommunikations- und Filtergeräte

Der LF351 ist für Geräte geeignet, die Frequenzselektion oder Rauschunterdrückung benötigen. Er kann in Audiofiltern, Notch-Filtern und analogen Signalwegen verwendet werden, bei denen unerwünschte Frequenzen reduziert werden müssen, während das nützliche Signal erhalten bleibt.

Bildungs- und Reparaturanwendungen

Der LF351 ist auch häufig in der Elektronikbildung, Laborversuchen und der Reparatur älterer analoger Geräte anzutreffen. Da es sich um einen einzelnen JFET-Eingangs-Operationsverstärker in einem standardmäßigen 8-Pin-Gehäuse handelt, ist er leicht zu verstehen, zu testen und in vielen alten Schaltungen zu ersetzen.

LF351 vs LM741 vs TL071

Kategorie	LF351	LM741	TL071
Ops-typ	Einzelner JFET-Eingangs-Operationsverstärker	Einzelner bipolarer Eingangs-Operationsverstärker für allgemeine Zwecke	Einzelner JFET/FET-Eingangs-Rauschunterdrückungs-Operationsverstärker
Eingangsstufe	JFET-Eingang	Bipolartransistor-Eingang	JFET/FET-Eingang
Typische Verwendung	Filter, Sensorinterfaces, Audio-Vorverstärker, Signalaufbereitung	Grundverstärkerschaltungen, Lernschaltungen, ältere analoge Designs	Audiokreisläufe, Filter, Vorverstärker, Signalaufbereitung
Eingangs-Bias-Strom	Sehr niedrig, etwa 20 pA typisch	Viel höher, etwa 80 nA typisch	Niedrig, etwa 65 pA typisch für Standard-TL07x-Versionen
Slew-Rate	16 V/µs typisch	0,5 V/µs typisch	Bis zu 20 V/µs typisch, abhängig von der Version
Gain-Bandbreitenprodukt	4 MHz typisch	Etwa 1 MHz Klasse	3 MHz bis 5,25 MHz, abhängig von Version und Gehäuse
Eingangsimpedanz	Sehr hoch, etwa 10¹² Ω	Niedriger, etwa 2 MΩ typisch	Sehr hoch, etwa 1 TΩ
Rauschleistung	Gut für allgemeine analoge Anwendungen	Nicht ideal für niedergeräuschige Signale	Bessere Wahl für niedergeräuschige Audio- und Signal-Schaltungen
Ausgangs-Schwingung	Nicht rail-to-rail	Nicht rail-to-rail	Nicht vollständig rail-to-rail, aber moderne Versionen haben einen verbesserten Bereich
Versorgungs-Spannung	6 V bis 32 V Gesamtabstimmungsbereich	Häufig verwendet mit ±15 V; kann mit Einzel- oder Doppelversorgung verwendet werden	Moderne TL07xH unterstützt ±2,25 V bis ±20 V oder 4,5 V bis 40 V
Größter Vorteil	Hoher Eingangswiderstand mit guter Geschwindigkeit	Einfach, gängig, und nützlich für grundlegende Schaltungen	Niedriges Geräusch, schnelle Reaktion und gute Audioleistung
Hauptbeschränkung	Nicht ideal für Niederspannungs rail-to-rail Schaltungen	Langsam, höherer Eingangsstrom, ältere Leistung	Versionsunterschiede müssen vor dem Austausch überprüft werden
Beste Wahl für moderne Anwendungen	Gut für hochimpedance analoge Schaltungen	Meistens für Lernen oder Legacy-Reparaturen	Üblicherweise die bessere moderne Wahl als LM741

LF351 Equivalent und Ersatzoptionen

• TL071

• TL081

• LF356

• LF357

• LF411

• LF412

• CA3140

• CA3130

• OPA134

• OPA604, usw.

LF351 Bestellcodes

Bestellcode	Temperaturbereich	Gehäuse	Verpackung
LF151N	-55°C bis +125°C	DIP8	Tape
LF151D	-55°C bis +125°C	SO-8	Tape
LF151DT	-55°C bis +125°C	SO-8	Tape & reel
LF251N	-40°C bis +105°C	DIP8	Tape
LF251D	-40°C bis +105°C	SO-8	Tape
LF251DT	-40°C bis +105°C	SO-8	Tape & reel
LF351N	0°C bis +70°C	DIP8	Tape
LF351D	0°C bis +70°C	SO-8	Tape
LF351DT	0°C bis +70°C	SO-8	Tape & reel

Mechanische Abmessungen des LF351

Hersteller

STMicroelectronics hat die Fähigkeit, den LF351 als einen standardmäßigen analogen Operationsverstärker mit einem monolithischen IC-Prozess zu produzieren, der abgestimmte Hochspannungs-JFETs und bipolare Transistoren auf einem Chip integriert. Der LF351 wird von ST als aktives Produkt in der Serienproduktion gelistet, mit Verfügbarkeit in gängigen Gehäusen wie DIP8 und SO-8, was ihn sowohl für Prototyping durch Löcher als auch für die Oberflächenmontage geeignet macht.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Warum ist der LF351 besser für hochimpedante Signale als viele ältere Operationsverstärker?

Der LF351 verwendet eine JFET-Eingangsstufe, sodass er sehr wenig Strom aus der Signalquelle zieht. Dies hilft, schwache Signale von Sensoren, Filtern oder Audioquellen zu schützen. Ältere bipolare Operationsverstärker wie der LM741 haben in der Regel einen höheren Eingangs-Biasstrom und können hochwiderstandige Signalquellen leichter belasten.

2. Kann der LF351 in modernen 5V-Mikrocontroller-Schaltungen verwendet werden?

Der LF351 ist nicht die beste Wahl für die meisten 5V-Mikrocontroller-Schaltungen. Er ist kein Rail-to-Rail-Operationsverstärker, und seine Ein- und Ausgangsspannungsbereiche benötigen genügend Versorgungsspielraum. Für Arduino, ESP32 und andere Niederspannungssysteme ist ein moderner Rail-to-Rail-CMOS-Operationsverstärker in der Regel besser.

3. Warum funktioniert der LF351 normalerweise besser mit einer dualen Stromversorgung?

Eine duale Stromversorgung, wie ±12V oder ±15V, gibt dem LF351 genügend Spannungsbereich für sowohl positive als auch negative Signale. Dies ist nützlich in Audio-, Filter-, Oszillator- und Analogsignal-Schaltungen. Mit einer einzelnen Stromversorgung muss die Schaltung möglicherweise biasiert werden, um das Eingangssignal im nutzbaren Bereich zu halten.

4. Was passiert, wenn der Ausgang des LF351 an eine hohe Last angeschlossen wird?

Der LF351 ist nicht dafür ausgelegt, hohe Lasten direkt zu treiben. Wenn der Lastwiderstand zu niedrig ist, kann der Ausgangsspannungshub abfallen, die Verzerrung zunehmen und das IC kann heiß werden. Es ist besser, einen Puffer, eine Transistorstufe oder einen Leistungsverstärker zu verwenden, wenn ein höherer Ausgangsstrom benötigt wird.

5. Ist der LF351 für präzise Messschaltungen geeignet?

Der LF351 kann in einigen Messschaltungen funktionieren, insbesondere wenn eine hohe Eingangsimpedanz wichtig ist. Er ist jedoch nicht die beste Wahl für sehr hochpräzise Designs, da Offsetspannung, Drift und Temperatureffekte die Genauigkeit beeinträchtigen können. Ein Präzisions-Operationsverstärker ist besser für sehr kleine Gleichstromsignale.

6. Warum sind die Offset-Null-Pins im LF351 wichtig?

Die Offset-Null-Pins ermöglichen es dem Designer, kleine Eingangs-Offset-Fehler zu trimmen. Dies ist nützlich, wenn der Ausgang nahe Null liegen muss, wenn beide Eingänge gleich sind. In vielen allgemeinen Verstärker- oder Audio-Schaltungen können diese Pins ungenutzt bleiben.

7. Kann der LF351 den LM741 direkt ersetzen?

In einigen Schaltungen ja, da beide sind Einzeloperationsverstärker mit einem gemeinsamen 8-poligen Layout. Allerdings sollte er nicht blind ersetzt werden. Der LF351 hat einen JFET-Eingang, eine schnellere Slew-Rate und ein anderes Biasverhalten, sodass die Versorgungsspannung der Schaltung, das Feedback-Netzwerk, der Eingangsquellwiderstand und die Stabilität zuerst überprüft werden sollten.