原创 MSP430F2616开发笔记（十一）题外话之LM358做电压跟随器的输出电压

由于DAC的输出可能会经过电阻分压、经过加减法器运算之类的，所以很多时候在它的后级会加上电压跟随器，以增加输入阻抗、减小输出阻抗；使用ADC时，也同样经常会使用它来处理信号。

在使用LM358搭建电压跟随器时，我遇到过输入电压接近零点而输出电压保持在0.6V以上的情况，从网上了解到这并不是个别现象，而是经常出现，有人给出的解决方法是使用正负电源供电，或者加下拉电阻。但是LM358的技术手册描述，它的输出电压摆幅在0V附近时并没有问题（技术手册上提供的最低输出电压典型值为5mV），同样有人做过实验，确实表现非常好。那这个0.6V到底从哪里来呢？难道买到的LM358是假货吗？

为了找出问题所在，首先根据下面的原理图，使用实验板搭建出电路：


第一步：电位器的输出从0V～+5V，无论抽头是悬空还是接到5pin，IC5A的1pin输出电压摆幅为0V～+3.8V，这说明第一个电压跟随器工作正常；

第二步：1pin的输出为0V～+3.8V时，无论它是悬空还是接到ADC引脚，IC5B的7pin输出电压摆幅为0V～+3.8V，这说明第二个跟随器也工作正常，前一个电压跟随器接到后一个电压跟随器是没有问题的。

第三步：此时把一个10K的电阻接入ADC引脚做上拉，IC5B的7pin输出电压摆幅为0.7V～+3.8V；当更换这个上拉电阻为1K时，IC5B的7pin输出电压摆幅为+1V～+3.8V；当更换这个上拉电阻为50K时，IC5B的7pin输出电压摆幅为+0.6V～+3.8V；当更换这个电阻慢慢接近于0欧姆时，IC5B的7pin输出电压慢慢接近VCC。

为了进一步验证上拉电阻的影响，将这个运放的输出接到STM32F103RBT6的ADC引脚上，此时发现，当ADC的引脚设置为GPIO_Mode_AIN时，运放的输出摆幅正常；而当ADC的引脚设置为GPIO_Mode_IPU时，出现了上面的输出摆幅+0.6V～+3.8V的情况。通过查询STM32F103RBT6的技术手册知道，当IO口设置为上拉时，会使能内部的弱上拉电阻，大约40K欧姆。这一现象刚好符合上面的分析。

再进一步验证，将运放的输出从ADC断开，直接加上50K的上拉电阻，会发现它的输出摆幅有同样的变化。

由此可见，LM358运放的输出对上拉电阻敏感，但这是为什么呢？难道运放输出不应该是不受负载电阻影响吗？为什么加上拉电阻之后输出会出现错误，而加上下拉电阻又完全没有问题呢？为了搞清楚这个，有必要把俺这本尘封已久的《模拟电子技术基础》拿出来了！

这是LM358的芯片内部原理图，来自ON Semiconductor公司的LM358技术手册，它和《模拟电子技术基础》书中F324的原理图非常类似:



首先，最右侧的灰色部分是一个恒流源，用于给整个电路提供恒流偏置，Q19、Q16、Q15因为集电区面积的不同而构成了不同比例的电流源，Q8和Q10构成了镜像电流源，给末级提供静态电流；

其次，最左侧是一个双端输入单端输出的共集共射差分放大电路，Q3和Q4是有源负载，将Q18的集电极电流变化转换成输出电流，接到Q5；

然后，中间是一个共集共射放大电路，具备很强的放大能力；

最后，靠右部分是射极输出电路，25欧姆的电阻和Q12一起构成了正向电流保护，正常工作时Q12截止，Q10上有50uA的偏置电流，而Q11处于截止状态，Uo=U9c-U14be-U13be-Ur；正常情况下，Q11应该处于截止状态，因为Q9的集电极电位比Q11的发射极电位要高；当上拉电阻接入时，（由于Q9集电极电位接近零点，Q11发射极被拉高，所以Q11被打开，Uo为Q11的EB电压，约为0.7V左右，而0.7V反馈接入正向输入引脚，又使得Q9的集电极电平保持零点，当输入电压大于0.7V时，Q9的集电极电平会接近VCC，并且在负反馈的作用下重新达到平衡，？？？）破坏了射极输出电路的负反馈，因此零点附近的信号被钳位到0.7V左右。

要验证这一点，将LM358的深度负反馈去掉，而直接使用开环放大。发现当没有上拉电阻时，U+=VCC，U-=1.5V，则Uo=+3.8V；而U+=0V，U-=1.5V，则Uo=0V；当使用了上拉电阻，U+=VCC，U-=1.5V，则Uo=+3.8V；而U+=0V，U-=1.5V，则Uo=0.7V。更换不同阻值的上拉电阻，现象几乎一样。

so，结论：LM358的输出摆幅符合技术手册的描述，在接近零点的范围内依然表现良好；而在它的输出端使用上拉电阻会影响它的工作。