LM358比較器典型電路

一、概述

LM358是一種常見(jiàn)的雙運(yùn)算放大器，由Texas Instruments（德州儀器）生產(chǎn)，具有低功耗、寬工作電壓范圍及較高的增益等特點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)處理、信號(hào)放大、比較器電路等領(lǐng)域。LM358的典型應(yīng)用之一是作為比較器，它在各種數(shù)字電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等場(chǎng)合中都有著不可或缺的作用。

本文將介紹LM358作為比較器時(shí)的典型電路設(shè)計(jì)，探討其工作原理、應(yīng)用實(shí)例以及設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的要點(diǎn)。

二、LM358比較器工作原理

LM358作為比較器時(shí)，通常用于比較兩個(gè)輸入信號(hào)的電平。當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)的電壓差值（即差分輸入）大于閾值時(shí)，LM358的輸出將迅速跳躍至極高或極低的電平，類似數(shù)字信號(hào)的開(kāi)關(guān)行為。具體而言，LM358的輸出端與其輸入端之間的關(guān)系如下：

1. 當(dāng)非反相輸入（+端）電壓高于反相輸入（-端）電壓時(shí)，輸出將接近電源正電壓（飽和）。

2. 當(dāng)反相輸入電壓高于非反相輸入電壓時(shí)，輸出將接近電源負(fù)電壓（飽和）。

需要注意的是，LM358并不是專為高速比較設(shè)計(jì)的，因此其響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢，適用于低頻信號(hào)比較。盡管如此，其低功耗特性使得它在許多嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

三、LM358比較器典型電路設(shè)計(jì)

1. 基本比較器電路

最簡(jiǎn)單的LM358比較器電路如下所示：

在此電路中，Vin(+)和Vin(-)分別為比較器的非反相輸入端和反相輸入端，Vout是輸出端。根據(jù)輸入電壓的不同，比較器輸出會(huì)根據(jù)前述原理切換在Vcc和GND之間。

該電路的工作原理非常簡(jiǎn)單：當(dāng)Vin(+)的電壓大于Vin(-)時(shí)，LM358的輸出Vout為Vcc；反之，當(dāng)Vin(+)小于Vin(-)時(shí)，Vout則為GND。這種電路形式稱為“開(kāi)關(guān)式”比較器，能夠非常有效地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

2. 帶滯回的比較器

為了解決LM358比較器輸出“抖動(dòng)”或“噪聲”的問(wèn)題，可以在電路中引入滯回（Hysteresis）。滯回技術(shù)可以確保輸入信號(hào)必須跨越一定的電壓差值（而不是僅僅觸及閾值）才能改變比較器的輸出狀態(tài)。這種電路通常用于信號(hào)較為復(fù)雜或噪聲較大的應(yīng)用中。

引入滯回的電路設(shè)計(jì)如下：

其中，R1和R2構(gòu)成了一個(gè)正反饋回路，帶來(lái)了滯回效應(yīng)。通過(guò)調(diào)節(jié)R1和R2的阻值，可以控制滯回的寬度，使得比較器在輸入信號(hào)變化時(shí)能夠減少誤觸發(fā)的可能性。

滯回的作用原理是：在輸出改變后，輸入信號(hào)必須達(dá)到設(shè)定的滯回電壓差（Vth），才能使比較器重新改變輸出。這樣，可以有效避免輸入信號(hào)的微小變化引起比較器輸出的頻繁切換。

3. 窗口比較器電路

窗口比較器是一種特殊的比較器電路，它將輸入信號(hào)與兩個(gè)閾值進(jìn)行比較，只有當(dāng)輸入信號(hào)處于某個(gè)特定的電壓范圍內(nèi)時(shí)，輸出才會(huì)為“高”或“低”。這種電路常用于需要檢測(cè)信號(hào)是否在某個(gè)特定電壓范圍內(nèi)的應(yīng)用中，如電池電壓監(jiān)測(cè)、過(guò)壓/欠壓保護(hù)等。

其基本電路結(jié)構(gòu)如下：

在這個(gè)電路中，兩個(gè)電壓分壓器分別設(shè)置了上閾值和下閾值，通過(guò)控制R1和R2的阻值，輸入信號(hào)Vin必須處于這兩個(gè)閾值之間，比較器的輸出才會(huì)為有效狀態(tài)。該電路特別適用于過(guò)電壓和欠電壓檢測(cè)，能夠在輸入信號(hào)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)提供報(bào)警信號(hào)。

4. 比較器與PWM調(diào)制

比較器不僅可以用于簡(jiǎn)單的信號(hào)比較，還可以用于脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)的生成。PWM信號(hào)是一種通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率和占空比來(lái)控制功率輸出的信號(hào)，廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、LED調(diào)光等領(lǐng)域。

使用LM358比較器生成PWM信號(hào)的基本電路如下：

該電路通過(guò)將一個(gè)固定的參考電壓Vref與輸入信號(hào)Vin進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出PWM信號(hào)。當(dāng)Vin的電壓高于Vref時(shí)，比較器輸出高電平，否則輸出低電平。通過(guò)調(diào)整Vin和Vref之間的關(guān)系，可以控制PWM信號(hào)的占空比，從而調(diào)節(jié)輸出功率。

四、LM358比較器電路的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 輸入電壓范圍
   LM358的輸入電壓范圍并非完全對(duì)稱，意味著其非反相輸入端和反相輸入端的電壓應(yīng)當(dāng)保持在一定的范圍內(nèi)，通常應(yīng)確保兩個(gè)輸入信號(hào)的電壓不超過(guò)Vcc和地之間的范圍。輸入電壓超出此范圍時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致比較器的異常工作或損壞。

2. 輸出電壓限制
   LM358的輸出端無(wú)法完全達(dá)到Vcc或地的電壓。通常，輸出電壓會(huì)稍低于電源電壓（Vcc）和地電壓。這一點(diǎn)需要在實(shí)際應(yīng)用中加以考慮，以免影響電路的精度。

3. 電源和地的噪聲
   在使用LM358比較器時(shí)，需要特別注意電源和地的噪聲，尤其是在高頻應(yīng)用中。噪聲可能導(dǎo)致輸入信號(hào)與參考信號(hào)之間的差值發(fā)生變化，從而影響比較器的響應(yīng)。

4. 過(guò)載保護(hù)
   LM358在輸出時(shí)，如果負(fù)載過(guò)低或不匹配，可能導(dǎo)致輸出端過(guò)載，因此應(yīng)當(dāng)適當(dāng)選擇外部負(fù)載阻抗，避免超出LM358的驅(qū)動(dòng)能力。

5. 滯回的設(shè)計(jì)
   如前所述，滯回的引入可以有效減少比較器的誤觸發(fā)。在設(shè)計(jì)滯回電路時(shí)，需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，選擇合適的反饋網(wǎng)絡(luò)和滯回電壓。

五、結(jié)論

LM358作為比較器的應(yīng)用非常廣泛，無(wú)論是在簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電路中，還是在復(fù)雜的信號(hào)處理系統(tǒng)中，它都能提供高效、可靠的工作性能。通過(guò)精確的電路設(shè)計(jì)，可以使其在各種應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮最大效能，滿足不同場(chǎng)合下的需求。