LM353 运算放大器简介

　　LM353是一款由美国国家半导体公司（National Semiconductor，现已并入德州仪器Texas Instruments）生产的双路JFET输入型运算放大器。它设计用于对输入阻抗要求较高、需要低输入偏置电流的应用场景。JFET（结型场效应晶体管）输入级赋予了LM353高输入阻抗和低输入偏置电流的特性，这使得它在处理高阻抗信号源时表现出色，例如在传感器接口、精密仪器仪表以及某些音频应用中。该器件的内部结构经过优化，确保了在宽电压和温度范围内的稳定性和可靠性。其双路配置意味着一个芯片内部集成了两个独立的运算放大器，这为设计者提供了灵活性，可以在一个封装内实现复杂的信号处理功能，同时节省了电路板空间和成本。

　　LM353 引脚图与功能

　　LM353通常采用标准DIP（双列直插式封装）或SOP（小外形封装）等多种封装形式，但无论何种封装，其核心引脚功能都是一致的。以下将详细介绍LM353在典型8引脚封装下的引脚分布及其各自的功能。理解这些引脚的功能是正确使用LM353进行电路设计的关键。

　　引脚分布概述

　　以常见的8引脚DIP封装为例，LM353的引脚通常按照逆时针方向从引脚1开始编号，当芯片顶部的缺口或圆点指示方向向上时。这种标准化编号方式使得设计者和工程师能够快速识别和定位每个引脚。

　　具体引脚功能

　　引脚1：1 OUT (输出1)

　　这是第一个运算放大器的输出端。经过放大器内部电路处理后的信号会从这个引脚输出。该引脚能够提供一定的电流驱动能力，并将处理后的电压信号传递给后续的电路级。在设计电路时，需要确保连接到此引脚的负载在LM353的输出电流能力范围内，并且通常需要考虑输出端是否有合适的反馈网络以实现特定的增益和稳定性。

　　引脚2：1 IN- (反相输入1)

　　这是第一个运算放大器的反相输入端。当施加到此引脚的电压升高时，输出电压会下降（对于负反馈配置）。在大多数运算放大器的应用中，例如反相放大器、求和放大器等，输入信号通常施加到这个引脚，并通过外部电阻网络形成负反馈回路，以稳定放大器的增益和工作点。

　　引脚3：1 IN+ (同相输入1)

　　这是第一个运算放大器的同相输入端。当施加到此引脚的电压升高时，输出电压也会升高。在非反相放大器、电压跟随器等应用中，输入信号通常施加到这个引脚。同相输入端与反相输入端共同决定了放大器的差分输入信号，并影响其输出。JFET输入级使得这两个输入引脚具有非常高的输入阻抗，从而最大限度地减少了从信号源吸取的电流。

　　引脚4：V- (负电源)

　　这是LM353的负电源供电引脚。为了使运算放大器正常工作，此引脚必须连接到电路的负电源轨，例如地（GND）或负电压（如-5V、-15V等）。正确的电源连接是确保芯片内部电路正常偏置、提供所需功率并达到其规定性能的关键。电源去耦电容（通常是0.1μF或更大）应尽可能靠近此引脚放置，以滤除电源线上的噪声，提高电路的稳定性。

　　引脚5：2 IN+ (同相输入2)

　　这是第二个运算放大器的同相输入端，功能与引脚3完全相同，服务于芯片内部的第二个独立的运算放大器。它用于接收第二个放大器的同相输入信号，同样具有高输入阻抗特性。

　　引脚6：2 IN- (反相输入2)

　　这是第二个运算放大器的反相输入端，功能与引脚2完全相同，用于接收第二个放大器的反相输入信号。通过连接适当的反馈网络，可以实现第二个放大器的各种功能。

　　引脚7：2 OUT (输出2)

　　这是第二个运算放大器的输出端，功能与引脚1完全相同。它输出第二个放大器处理后的信号。设计时同样需要考虑负载和反馈网络的匹配。

　　引脚8：V+ (正电源)

　　这是LM353的正电源供电引脚。此引脚必须连接到电路的正电源轨，例如+5V、+15V等。与负电源引脚类似，为了确保稳定运行，也应该在此引脚附近放置电源去耦电容，以旁路高频噪声和纹波，防止其干扰放大器的正常工作。

　　理解这些引脚的功能对于构建任何基于LM353的电路都至关重要。错误地连接引脚可能会导致芯片损坏、功能异常或性能下降。

　　LM353 的主要特性与优势

　　LM353之所以在众多运算放大器中占据一席之地，得益于其一系列优秀特性，这些特性使其在特定应用中表现出显著的优势。

　　JFET 输入级

　　LM353最显著的特点就是采用了JFET（结型场效应晶体管）作为其输入级。与传统的双极型晶体管（BJT）输入运算放大器相比，JFET输入级具有以下几个重要优势：

　　超高输入阻抗： JFET的栅极基本上是反向偏置的PN结，其输入电阻非常高，通常高达 1012 欧姆。这意味着LM353从信号源汲取的电流极小，即输入偏置电流非常低（通常在几十皮安到几百皮安范围内）。这一特性使得LM353非常适合连接高输出阻抗的传感器（如pH电极、光电二极管等）或其他弱信号源，避免了信号源因负载效应而失真或衰减。在精密测量、数据采集和仪器仪表领域，这种高输入阻抗是至关重要的。

　　低输入偏置电流： 如上所述，由于高输入阻抗，LM353的输入偏置电流极低。输入偏置电流是流入或流出运算放大器输入端的微小电流，它会在输入端的等效电阻上产生一个电压降，从而导致输出出现一个不希望的直流失调。对于需要直流耦合且对精度要求高的应用，极低的输入偏置电流可以显著减少这种失调电压，提高测量精度。

　　低输入失调电压和失调电压漂移： 尽管JFET输入级的失调电压可能不如一些精密双极型放大器低，但LM353在设计上已对这些参数进行了优化。低输入失调电压意味着当输入短路时，输出端的直流电压接近于零，这对于直流精度应用至关重要。而低失调电压漂移则表示在温度变化时，失调电压的变化很小，确保了电路在不同环境条件下的稳定性。

　　宽电源电压范围

　　LM353能够工作在较宽的单电源或双电源电压范围内。例如，它可以工作在+5V单电源，也可以工作在 ±15V 的双电源。这种灵活性使得它能够适应各种不同的电源设计，简化了电源管理，并且能够兼容多种其他模拟集成电路的工作电压。宽电源范围也意味着它能够处理较大动态范围的输入信号，并提供相应的输出摆幅。

　　高增益带宽积 (GBW)

　　尽管LM353并非超高速放大器，但其增益带宽积（Gain Bandwidth Product, GBW）相对合理，使其能够在音频频率和一些中低频应用中提供良好的性能。GBW表示当增益为1时，放大器能够响应的最高频率。一个更高的GBW意味着在给定增益下，放大器能处理更高频率的信号，或者在处理特定频率信号时能够提供更高的增益。LM353的GBW使其适用于需要中等带宽的信号放大和滤波应用。

　　低噪声特性

　　在许多精密应用中，噪声是一个关键参数。LM353在设计上考虑了噪声抑制，具有相对较低的输入电压噪声和输入电流噪声。低噪声特性确保了在放大微弱信号时，能够最大限度地保留信号的完整性，而不是被放大器自身的噪声所淹没。这对于音频前置放大器、传感器信号调理等对信噪比要求较高的应用尤为重要。

　　短路保护输出

　　LM353的输出级通常设计有短路保护功能。这意味着即使输出引脚意外短路到地或电源轨，芯片内部的限流电路也能防止过大电流流过，从而保护放大器本身免受损坏。这一特性提高了电路的鲁棒性和可靠性，减少了在调试或意外情况下的风险。

　　低功耗

　　相对于一些高性能或高带宽的运算放大器，LM353通常具有较低的静态功耗。这使得它在电池供电应用或对功耗有严格要求的系统中具有优势，有助于延长电池寿命或减少系统发热。

　　综合这些特性，LM353成为了一种功能全面、性能可靠的通用运算放大器，特别适用于那些对输入阻抗、偏置电流和精度有较高要求的模拟信号处理场景。

　　LM353 的内部结构与工作原理

　　理解LM353的内部结构和工作原理，有助于我们更深入地掌握其特性并进行优化设计。虽然具体电路细节复杂，但我们可以将其分解为几个主要的功能模块。

　　差分输入级 (JFET 输入)

　　LM353的核心是其差分输入级，它采用了匹配的JFET对。JFET输入级是其高输入阻抗和低偏置电流特性的来源。

　　工作原理： 一对匹配的JFET晶体管（例如N沟道JFET）的源极通过一个恒流源连接。当输入信号施加到JFET的栅极时（栅极通常通过二极管或ESD保护电路连接到外部引脚，并反向偏置），会改变JFET的沟道电阻，从而改变通过它的漏极电流。由于JFET的栅极与沟道之间是反向偏置的PN结，因此几乎没有电流流过栅极，这导致了极高的输入阻抗和极低的输入偏置电流。

　　差分放大： 这两个JFET构成了差分放大器，它们将同相输入（IN+）和反相输入（IN-）之间的电压差转换为一个电流差。这个电流差随后被送入下一级进行放大。由于JFET对经过了精心匹配，因此在理想情况下，当两个输入端的电压相同时，通过它们的电流也相同，从而最大限度地减少了输入失调电压。

　　第二级增益放大

　　从JFET输入级输出的差分电流或电压信号会进入第二级增益放大器。这一级通常由双极型晶体管（BJT）组成，负责提供大部分的电压增益。

　　高增益： 这一级电路的设计目标是提供非常高的开环电压增益，通常在几十万到数百万倍之间。高开环增益是运算放大器能够进行精确负反馈控制的基础。

　　电平转换： 在这一级中，还会进行电平转换，以确保信号在后续的输出级能够正确地驱动。这可能涉及到将信号从差分形式转换为单端形式，并调整其直流偏置点。

　　输出级

　　输出级是运算放大器的最后一级，它负责提供足够的电流驱动能力，以将放大后的信号传递给负载。

　　AB类推挽输出： LM353通常采用AB类推挽输出级。这种设计在提供较高电流驱动能力的同时，能够有效减少交越失真（crossover distortion），从而在信号接近零交叉点时保持良好的线性度。推挽结构意味着输出级包含一对NPN和PNP晶体管（或NMOS和PMOS），它们分别负责提供正向和负向的输出电流。

　　短路保护： 如前所述，输出级通常集成了短路保护电路。当输出电流超过预设阈值时，该电路会限制电流，防止芯片过热或损坏。这通过限制输出晶体管的基极电流或通过电流感应电阻来实现。

　　偏置电路与电源抑制

　　除了信号路径，LM353内部还包含复杂的偏置电路和电源抑制电路。

　　偏置电路： 偏置电路负责为芯片内部的所有晶体管提供合适的工作点（即直流电流和电压），确保它们在最佳线性区域工作，并提供稳定的电流源和电压参考。

　　电源抑制： 运算放大器对电源电压的变化具有一定的抑制能力，这由电源抑制比（Power Supply Rejection Ratio, PSRR）来衡量。内部的电源抑制电路旨在减少电源电压波动对输出信号的影响，提高放大器的稳定性。良好的电源抑制对于在嘈杂电源环境下保持电路性能至关重要。

　　频率补偿

　　为了确保在负反馈应用中的稳定性，运算放大器内部通常会集成频率补偿网络。

　　目的： 运算放大器的高开环增益会导致相位滞后，如果在特定频率下相位滞后达到180度且增益大于1，就会发生振荡。频率补偿通过在内部引入一个或多个极点，有意地降低高频增益，从而确保在增益为1时总的相位滞后小于180度，防止自激振荡。

　　LM353的补偿： LM353通常是内部补偿的，这意味着用户无需添加外部电容来确保稳定性。这种内部补偿简化了电路设计，使其更易于使用。补偿电容通常连接在内部的某个高增益级之间，以创建主极点。

　　通过这些精心设计的内部模块，LM353能够实现其宣传的高性能，为各种模拟应用提供稳定可靠的信号处理能力。

　　LM353 的典型应用电路

　　LM353作为一款通用型JFET输入运算放大器，其应用范围非常广泛。以下是一些典型的应用电路示例，展示了LM353如何被用于实现不同的信号处理功能。

　　1. 非反相放大器

　　非反相放大器是最基本的运算放大器配置之一，它在保持输入信号极性的同时对其进行放大。

　　电路构成： 输入信号施加到LM353的同相输入端（IN+），而反相输入端（IN-）通过两个电阻R1和R2连接到输出端和地（或参考电压），形成负反馈网络。

　　工作原理： 运算放大器会努力使两个输入端的电压保持相等（虚短路）。因此，IN-端的电压会被拉高到与IN+端相同的电位。通过R1和R2构成的分压器，输出电压Vout与IN-端的电压V_IN-之间存在固定关系：V_IN−=Vout×R1+R2R1。由于 V_IN−=Vin，因此可以推导出输出电压增益：AV=VinVout=1+R1R2。

　　LM353的优势： 由于LM353具有高输入阻抗，它不会从输入信号源汲取显著电流，这对于高输出阻抗的传感器或信号源来说尤为重要，可以避免信号衰减。

　　2. 反相放大器

　　反相放大器将输入信号放大，并使输出信号的极性与输入信号相反。

　　电路构成： 输入信号通过一个输入电阻Rin施加到LM353的反相输入端（IN-）。同相输入端（IN+）直接接地或连接到参考电压。一个反馈电阻Rf连接在输出端和反相输入端之间。

　　工作原理： 同样基于虚短路原理，IN-端的电压会被拉到与IN+端相同的电位，即地电位（0V）。流过Rin的电流为 Iin=RinVin−0=RinVin。由于LM353的输入偏置电流极低，几乎所有流过Rin的电流都会流过Rf。因此，流过Rf的电流为 If=Rf0−Vout=−RfVout。由于 Iin=If，可以得到 RinVin=−RfVout，从而推导出输出电压增益：AV=VinVout=−RinRf。

　　LM353的优势： 在需要将信号反相放大时，LM353的低输入偏置电流确保了通过电阻网络的电流主要由输入信号决定，从而保证了增益的精确性。

　　3. 电压跟随器（缓冲器）

　　电压跟随器是一种特殊的非反相放大器，其增益为1。它主要用于阻抗匹配，将高阻抗源与低阻抗负载隔离开来。

　　电路构成： 输出端直接连接到反相输入端（反馈电阻Rf为0，输入电阻Rin为无穷大）。输入信号施加到同相输入端（IN+）。

　　工作原理： 根据虚短路原理，输出电压将等于输入电压：Vout=Vin。

　　LM353的优势： 电压跟随器充分利用了LM353的超高输入阻抗和低输出阻抗特性。它能够从高阻抗信号源（如传感器、麦克风等）提取信号，而不会对信号源造成负载效应，同时能够驱动相对较低阻抗的负载。这在信号调理、缓冲、或需要将数字模拟转换器（DAC）输出与后续电路隔离的场合非常有用。

　　4. 有源低通/高通滤波器

　　LM353可以与其他无源元件（电阻、电容）结合，构建有源滤波器。有源滤波器相比无源滤波器具有增益、更高的Q值和更陡峭的衰减率。

　　低通滤波器示例： 通过在反相放大器或非反相放大器配置中引入电容，可以实现低通滤波功能，衰减高频信号。例如，在反相放大器中，可以在反馈电阻Rf并联一个电容Cf，形成一个一阶低通滤波器。

　　高通滤波器示例： 类似地，通过串联电容到输入端，可以实现高通滤波功能，衰减低频信号。

　　LM353的优势： LM353的良好频率响应和低噪声特性使其适合在音频或其他需要滤波的应用中构建高品质的有源滤波器。

　　5. 峰值检测器

　　峰值检测器用于捕捉并保持输入信号的峰值电压。

　　电路构成： 通常由运算放大器、二极管和电容组成。LM353用作缓冲器或比较器，二极管用于充电电容，电容保持峰值电压。

　　工作原理： 当输入电压高于电容上的电压时，LM353的输出会驱动二极管导通，为电容充电。一旦输入电压开始下降，二极管反向偏置，电容上的电压保持在峰值。

　　LM353的优势： LM353的低输入偏置电流在这里尤为重要，因为它确保了电容在充电后，其上的电压不会因放大器输入端的泄放电流而迅速下降，从而能够长时间保持峰值电压。

　　6. 传感器接口电路

　　LM353是连接各种传感器的理想选择，尤其是那些输出阻抗高或输出信号微弱的传感器。

　　应用示例：

　　pH计放大器： pH电极具有极高的内阻，LM353的高输入阻抗可以完美匹配，避免信号损耗。

　　光电二极管跨阻放大器： 光电二极管在光照下产生微弱的电流，LM353可以配置为跨阻放大器（将电流转换为电压），将其转换为可用的电压信号。其低偏置电流有助于准确测量小电流。

　　热电偶放大器： 热电偶产生的电压信号非常小，需要高增益和低噪声放大器进行放大。LM353可以提供所需的增益，并结合冷端补偿电路使用。

　　这些只是LM353众多应用中的一小部分。凭借其独特的JFET输入特性，它在需要高精度、低偏置电流和高输入阻抗的模拟电路设计中扮演着重要的角色。在设计任何电路时，始终建议参考LM353的官方数据手册，以获取最详细和准确的电气特性、绝对最大额定值和应用指南。