LM358单电源电压跟随器电压输出异常的原因分析

开发环境(蓝色粗体字为特别注意内容)
1、硬件环境:LM358P。

LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。电源电压范围宽:单电源(3—30V)、双电源(±1.5 一±15V),因此非常适合应用于单片机电路。我们知道,在单片机AD采样电路中,在AD前端必须接上电压跟随器!以避免单片机IO口对输入信号的影响,这一点在设计AD采样电路的时候需要特别注意。最近在使用LM358做一个电压跟随器的时候,发现电压波形输出异常,波形如下图所示:

 输入信号是1KHz 2Vpp,输出波形很奇怪,正弦波中间突然出现矩形峰,我们来看电路图,电路连接如下图所示:

标准的电压跟随器设计方式,电路应该是没问题的,那问题出在哪呢?怀疑是不是运放坏了,遂换一块新的运放,结果如出一辙。回来看看电路图,发现电路是单电源供电的,而信号发生器输出的正弦波存在负半周,会不会是这个原因呢?将输入信号的偏移改为1V,输出瞬间和谐了!

 波形完美!这里需要提一下,就是358做电压跟随器有一定的频率范围,经测试50k基本上是极限频率了,超过50k输出将会变成三角波了~

 

 

 

### 将差分信号正确接入电压跟随的方法 对于差分信号而言,其特点是两路信号相对某一公共点具有相反的极性和相同的幅度。要将这样的信号接入电压跟随并确保正常工作,需注意几个关键方面。 #### 差分信号处理原则 差分信号通过一对导线传输,在接收端利用差动放大提取有用信息。这种配置能有效抑制共模噪声干扰,提高信噪比[^5]。然而,直接将差分信号应用于单端输入设备(如标准电压跟随)之前,应当先将其转换成适合的形式。 #### 使用运放构建接口电路 考虑到运算放大具备良好的线性度以及可调节性强等特点,可以选用带有适当反馈网络的运放开环结构来完成这一任务。具体来说: - **创建平衡转换单元**:基于运算放大搭建一个简单的缓冲级联机构,其中包含两个独立工作的单元——分别对应于原始差分对中的每一个成员; - **实施共模偏置调整**:向上述双通道架构施加合适的直流偏移量,使最终输出处于目标负载所期望的工作范围内; - **整合至后续级**:经过初步调理之后得到的新版“伪差分”波形可以直接馈入到由NPN晶体管组成的射随内部作为驱动源[^3]。 ```python import numpy as np from scipy import signal def diff_to_single-ended(in_pos, in_neg): """ Simulate the conversion of differential signals to single-ended. Parameters: in_pos (float): Positive input voltage level from differential pair. in_neg (float): Negative input voltage level from differential pair. Returns: float: Converted single-ended output voltage. """ # Assuming ideal conditions and no loss during transformation v_out = (in_pos - in_neg)/2 return v_out ``` 此过程仅实现了从差分模式到单端形式的有效转变,同时也保留了原数据流的核心特征变。值得注意的是,实际应用中可能还需要额外加入滤波元件以消除潜在高频成分的影响,并确保整个系统的稳定性与可靠性。
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