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由于DAC的輸出可能會經(jīng)過電阻分壓、經(jīng)過加減法器運算之類的，所以很多時候在它的后級會加上電壓跟隨器，以增加輸入阻抗、減小輸出阻抗；使用ADC時，也同樣經(jīng)常會使用它來處理信號。 在使用LM358搭建電壓跟隨器時，我遇到過輸入電壓接近零點而輸出電壓保持在0.6V以上的情況，從網(wǎng)上了解到這并不是個別現(xiàn)象，而是經(jīng)常出現(xiàn)，有人給出的解決方法是使用正負(fù)電源供電，或者加下拉電阻。但是LM358的技術(shù)手冊描述，它的輸出電壓擺幅在0V附近時并沒有問題（技術(shù)手冊上提供的最低輸出電壓典型值為5mV），同樣有人做過實驗，確實表現(xiàn)非常好。那這個0.6V到底從哪里來呢？難道買到的LM358是假貨嗎？ 為了找出問題所在，首先根據(jù)下面的原理圖，使用實驗板搭建出電路：  第一步：電位器的輸出從0V～+5V，無論抽頭是懸空還是接到5pin，IC5A的1pin輸出電壓擺幅為0V～+3.8V，這說明第一個電壓跟隨器工作正常； 第二步：1pin的輸出為0V～+3.8V時，無論它是懸空還是接到ADC引腳，IC5B的7pin輸出電壓擺幅為0V～+3.8V，這說明第二個跟隨器也工作正常，前一個電壓跟隨器接到后一個電壓跟隨器是沒有問題的。 第三步：此時把一個10K的電阻接入ADC引腳做上拉，IC5B的7pin輸出電壓擺幅為0.7V～+3.8V；當(dāng)更換這個上拉電阻為1K時，IC5B的7pin輸出電壓擺幅為+1V～+3.8V；當(dāng)更換這個上拉電阻為50K時，IC5B的7pin輸出電壓擺幅為+0.6V～+3.8V；當(dāng)更換這個電阻慢慢接近于0歐姆時，IC5B的7pin輸出電壓慢慢接近VCC。 為了進(jìn)一步驗證上拉電阻的影響，將這個運放的輸出接到STM32F103RBT6的ADC引腳上，此時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ADC的引腳設(shè)置為GPIO_Mode_AIN時，運放的輸出擺幅正常；而當(dāng)ADC的引腳設(shè)置為GPIO_Mode_IPU時，出現(xiàn)了上面的輸出擺幅+0.6V～+3.8V的情況。通過查詢STM32F103RBT6的技術(shù)手冊知道，當(dāng)IO口設(shè)置為上拉時，會使能內(nèi)部的弱上拉電阻，大約40K歐姆。這一現(xiàn)象剛好符合上面的分析。 再進(jìn)一步驗證，將運放的輸出從ADC斷開，直接加上50K的上拉電阻，會發(fā)現(xiàn)它的輸出擺幅有同樣的變化。 由此可見，LM358運放的輸出對上拉電阻敏感，但這是為什么呢？難道運放輸出不應(yīng)該是不受負(fù)載電阻影響嗎？為什么加上拉電阻之后輸出會出現(xiàn)錯誤，而加上下拉電阻又完全沒有問題呢？為了搞清楚這個，有必要把俺這本塵封已久的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》拿出來了！ 這是LM358的芯片內(nèi)部原理圖，來自O(shè)N Semiconductor公司的LM358技術(shù)手冊，它和《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》書中F324的原理圖非常類似:  首先，最右側(cè)的灰色部分是一個恒流源，用于給整個電路提供恒流偏置，Q19、Q16、Q15因為集電區(qū)面積的不同而構(gòu)成了不同比例的電流源，Q8和Q10構(gòu)成了鏡像電流源，給末級提供靜態(tài)電流； 其次，最左側(cè)是一個雙端輸入單端輸出的共集共射差分放大電路，Q3和Q4是有源負(fù)載，將Q18的集電極電流變化轉(zhuǎn)換成輸出電流，接到Q5； 然后，中間是一個共集共射放大電路，具備很強的放大能力； 最后，靠右部分是射極輸出電路，25歐姆的電阻和Q12一起構(gòu)成了正向電流保護(hù)，正常工作時Q12截止，Q10上有50uA的偏置電流，而Q11處于截止?fàn)顟B(tài)，Uo=U9c-U14be-U13be-Ur；正常情況下，Q11應(yīng)該處于截止?fàn)顟B(tài)，因為Q9的集電極電位比Q11的發(fā)射極電位要高；當(dāng)上拉電阻接入時，（由于Q9集電極電位接近零點，Q11發(fā)射極被拉高，所以Q11被打開，Uo為Q11的EB電壓，約為0.7V左右，而0.7V反饋接入正向輸入引腳，又使得Q9的集電極電平保持零點，當(dāng)輸入電壓大于0.7V時，Q9的集電極電平會接近VCC，并且在負(fù)反饋的作用下重新達(dá)到平衡，？？？）破壞了射極輸出電路的負(fù)反饋，因此零點附近的信號被鉗位到0.7V左右。 要驗證這一點，將LM358的深度負(fù)反饋去掉，而直接使用開環(huán)放大。發(fā)現(xiàn)當(dāng)沒有上拉電阻時，U+=VCC，U-=1.5V，則Uo=+3.8V；而U+=0V，U-=1.5V，則Uo=0V；當(dāng)使用了上拉電阻，U+=VCC，U-=1.5V，則Uo=+3.8V；而U+=0V，U-=1.5V，則Uo=0.7V。更換不同阻值的上拉電阻，現(xiàn)象幾乎一樣。 so，結(jié)論：LM358的輸出擺幅符合技術(shù)手冊的描述，在接近零點的范圍內(nèi)依然表現(xiàn)良好；而在它的輸出端使用上拉電阻會影響它的工作。 |
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