Семейство сдвоенных операционных усилителей LM358 относится к числу проверенных временем недорогих компонентов, которые до сих пор находят применение. Выходное напряжение этих микросхем может приближаться к напряжению отрицательной шины питания (а для входных сигналов даже достигать его). К сожалению, это не относится к положительной шине питания. Однако каскадное включение операционного усилителя с несколькими простыми и недорогими компонентами позволяет преодолеть это ограничение для выходных сигналов (Рисунок 1).

Рисунок 1.

Этот простой rail-to-rail усилительный каскад, состоящий из элементов Q1, Q2, R1, RF, RG, RCOMP и CCOMP, управляется выходным сигналом операционного усилителя LM258A. Цепь обратной связи RF1 и RG1 гарантирует, что напряжение обратной связи на инвертирующем входе будет находиться в пределах допустимого диапазона синфазных входных напряжений операционного усилителя, и обеспечивает устойчивость характеристики петлевого усиления.

У меня под рукой были микросхемы LM258A, которые я купил вместо LM358A из-за немного лучшего входного напряжения и тока смещения, а также более широкого диапазона рабочих температур. Интересно, что температурная зависимость диапазона синфазных входных напряжений для версии без суффикса «А» указана как V_CC – 2 В при V_CC от 5 до 30 В. А для версии с суффиксом «А» значение указано только при 30 В. Разбирайтесь сами! Как вы увидите, при проведении мною тестов никаких проблем не возникло.

Характеристики этих компонентов по переменному току идентичны, что позволяет предположить, что даже у более дешевого LM358 не должно возникнуть проблем с устойчивостью. При использовании компонентов, показанных на Рисунке 1, петлевое усиление на частотах выше 100 кГц примерно соответствует коэффициенту усиления LM258A в конфигурации повторителя напряжения. Ниже 10 кГц коэффициент усиления увеличивается примерно на 8 дБ. На (Рисунках 2–7) приведены несколько снимков экрана осциллографа с результатами различных испытаний схемы на частоте 1 кГц. Масштаб всех осциллограмм одинаков: 1 В и 200 мкс на одно большое деление.

Рисунок 2.	Здесь отчетливо виден rail-to-rail размах выходного сигнала схемы.

Рисунок 3.	Схема плавно восстанавливается после ограничения.

Рисунок 4.	При нагрузке 0.1 мкФ возникают проблемы со скоростью нарастания.

Рисунок 5.	При подключении нагрузка 470 Ом параллельно конденсатору 0.1 мкФ схема устойчива и не демонстрирует проблем со скоростью нарастания.

Рисунок 6.	Однако с конденсатором 0.1 мкФ в качестве единственной нагрузки схема неустойчива.ничения.

Рисунок 7.	Замена 470-омного резистора RCOMP резистором сопротивлением 100 Ом восстанавливает устойчивость при использовании конденсатора 0.1 мкФ в качестве единственной нагрузки.чения.

Таким образом, пара дешевых транзисторов, недорогой конденсатор и несколько неточных резисторов обеспечивают недорогой способ преобразования операционных усилителей семейства LM358 в усилители с возможностями rail-to-rail.

1. Datasheet Texas Instruments LM258
2. Datasheet Texas Instruments LM358