LM321 Op-Amp IC Specificaties, Kenmerken en Werking

Veel elektronische systemen moeten kleine analoge signalen versterken, filteren of regelen zonder veel energie of PCB-ruimte te gebruiken. De LM321 van Texas Instruments is een enkele operationele amplifier die voor deze taken is ontworpen. Dit artikel legt de LM321 specificaties, pinconfiguratie, interne werking, invoer- en uitvoerlimieten, typische circuitconfiguraties, prestatiekenmerken en meer uit.

Catalogus

LM321 Laag Vermogen Enkelvoudige Operationele Amplifier

De LM321 is een laagvermogen, enkele operationele amplifier die is ontworpen voor algemene analoge signaalverwerking. Het combineert nuttige prestaties met een laag energieverbruik, waardoor het geschikt is voor circuits die efficiënte werking en een compact ontwerp vereisen. Het apparaat biedt een eenheidsversterkingsbandbreedte van ongeveer 1 MHz, een gespecificeerde slew-rate van 0,4 V/µs, en een typische quiescentestroom van ongeveer 430 µA bij een voedingsspanning van 5 V.

Het invoer gemeenschappelijke modusspanningsbereik omvat de grond, wat betrouwbare werking mogelijk maakt vanuit een enkele voeding evenals vanuit dubbele voedingen. De LM321 kan ook relatief grote capaciteitsbelastingen aansteken terwijl het een stabiele prestatie behoudt. Het wordt doorgaans geleverd in een compacte SOT-23-behuizing met 5 pinnen, wat helpt om PCB-ruimte en componentkosten te verlagen.

LM321 Verpakkingsinformatie

Te bestellen Apparaat	Status	Verpakking Type	Pinnen	Verpakking Qty	Werktemperatuur	Apparaat Markering
LM321MF	NRND	SOT-23	5	1.000	−40°C tot 85°C	A63A
LM321MF/NOPB	Actief	SOT-23	5	1.000	−40°C tot 85°C	A63A
LM321MFX	NRND	SOT-23	5	3.000	−40°C tot 85°C	A63A
LM321MFX/NOPB	Actief	SOT-23	5	3.000	−40°C tot 85°C	A63A

LM321 Specificaties

Specificatie	Beoordeling
Maximale voedings spanning	32 V
Differentiële invoer spanning	±Voedingsspanning
Invoer spannings bereik	−0,3 V tot 32 V
Maximale invoer stroom	50 mA
Maximale junction temperatuur	150°C
Opslag temperatuur bereik	−65°C tot 150°C
Loodsoldeertemperatuur	260°C gedurende 10 seconden
Werkspanning	3 V tot 30 V
Werktemperatuurbereik	−40°C tot 85°C
Ingangs-offsetspanning	2 mV typisch, 7 mV maximaal
Ingangs-offsetstroom	5 nA typisch, 50 nA maximaal
Ingangs-biasstroom	45 nA typisch, 250 nA maximaal
Ingangs-gemiddelde spanningsbereik	0 V tot V+ - 1.5 V
Groot-signaal spanningsversterking	100 V/mV typisch
Voedingsafwijzingsratio	100 dB typisch
Gemiddelde afwijzingsratio	85 dB typisch
Stroomverbruik bij 5 V	0.43 mA typisch
Uitgangsbronstroom	40 mA typisch
Uitgangsinkstroom	20 mA typisch
Slew rate	0.4 V/µs
Versterking-bandbreedteproduct	1 MHz
Fasemargin	60°
Totale harmonische vervorming	0.015% typisch
Ingangsspanning-ruisdichtheid	40 nV/√Hz

LM321 Pinout & CAD Model

LM321 Pinout Diagram

Pin Nummer	Pin Naam	Functie
1	+IN	Niet-inverterende ingang. Een positieve spanningsverandering op deze pin zorgt ervoor dat de uitgangsspanning toeneemt.
2	V−	Negatieve voedingsaansluiting. Het is normaal gesproken verbonden met de aarde in een circuit met één voeding.
3	−IN	Inverterende ingang. Een positieve spanningsverandering op deze pin zorgt ervoor dat de uitgangsspanning afneemt.
4	UITGANG	Biedt het versterkte uitgangssignaal.
5	V+	Positieve voedingsaansluiting.

CAD-model

Hoe de LM321 IC werkt?

De LM321 is een enkele operationele versterker die het spanningsverschil tussen zijn niet-inverterende ingang (+IN) en inverterende ingang (−IN) vergroot. De open-loop versterking is zeer hoog, dus de meeste circuits gebruiken negatieve feedback om de versterking te regelen en de uitgang stabiel te houden.

Intern functioneel blokdiagram

De afbeelding is een vereenvoudigd intern schema van de LM321 in plaats van een basis functioneel blokdiagram. Het toont de interne transistors, stroombronnen, compensatiecondensator en uitgangsstage.

Het interne circuit kan worden onderverdeeld in drie hoofdfasen:

• Ingangsfase: Transistoren Q1 tot Q4 vergelijken de spanningen die zijn aangelegd op +IN en −IN. Het PNP-ingangsontwerp stelt de LM321 in staat om ingangsspanningen te accepteren die dicht bij de aarde liggen wanneer een enkele voedingsspanning wordt gebruikt.

• Spanningsversterkingsfase: Het kleine verschil dat door de ingangsfase wordt gedetecteerd, wordt omgevormd tot een groter spanningssignaal. De interne compensatiecondensator C_C beheert de frequentierespons en helpt bij het voorkomen van oscillatie wanneer negatieve feedback wordt gebruikt.

• Uitgangsfase: Transistoren Q5 tot Q13 leveren de stroom die nodig is om de uitgang aan te sturen. Deze fase kan zowel stroom leveren als afvoeren, maar de uitgang kan de positieve voedingsrail niet volledig bereiken. De weerstand R_SC helpt de uitgangsstroom te beperken tijdens een overbelasting of kortsluiting.

Werkprincipe

De LM321 vergelijkt continu de spanning op +IN met de spanning op −IN:

V_OUT=A_OL (V_(+IN)-V_(-IN) )

waarbij A_OL de open-loop spanningsversterking is.

Wanneer de spanning op +IN hoger is dan de spanning op −IN, beweegt de uitgang naar de positieve voeding. Wanneer de spanning op −IN hoger is, beweegt de uitgang naar de negatieve voeding of aarde. Omdat de LM321 een zeer hoge open-loop versterking heeft, kan zelfs een klein ingangsverschil de uitgang dicht bij een van zijn limieten drijven.

In praktische circuits wordt een deel van de uitgang normaal gesproken teruggegeven aan de inverterende ingang via een negatief-feedbacknetwerk. Deze feedback houdt de twee ingangsspanningen bijna gelijk en stelt externe weerstanden in staat om een stabiele spanningsversterking in te stellen. Afhankelijk van het circuit kan de LM321 een analoog signaal versterken, bufferen, filteren, vergelijken of bewerken.

Ingangs- en uitgangsspanningsbereik

De LM321 werkt met een enkele voeding van 3 V tot 30 V. Het kan ook dubbele voedingen gebruiken, zoals ±1.5 V tot ±15 V, zolang de totale spanning tussen de twee voedingspinnen binnen het aanbevolen bereik blijft.

Het normale ingangsgemiddelde bereik strekt zich uit van de negatieve voedingsrail tot ongeveer 1.5 V onder de positieve voeding bij 25°C:

V^-≤V_IN≤V⁺-1.5V

Bijvoorbeeld, met een voedingsspanning van 5 V, is het aanbevolen ingangbereik ongeveer 0 V tot 3.5 V. De ingang kan daarom signalen bij aarde waarnemen, maar het moet niet worden verwacht dat het correct werkt in de buurt van de positieve voedingsrail.

De uitgang is ook niet rail-naar-rail. Het kan zeer dicht bij de negatieve voeding of de aarde bewegen onder een lichte belasting, maar het blijft normaal gesproken ongeveer 1,5 V of meer onder de positieve voeding. Het exacte uitgangsbereik hangt af van de voedingsspanning, belastingweerstand, uitgangsstroom en temperatuur. Voor nauwkeurige werking moeten zowel het ingangssignaal als de vereiste uitgangsspanning binnen deze praktische grenzen blijven.

LM321 Typische Circuitconfiguraties

Niet-inverterende DC-versterker

Het ingangssignaal wordt aangelegd op de niet-inverterende ingang van de LM321. Weerstanden R1 en R2 bieden negatieve feedback en stellen de spanningsversterking in:

Daarom is de uitgang ongeveer 101 keer de ingangsspanning. Een 0 V ingang produceert idealiter een 0 V uitgang, terwijl een positieve ingang een versterkte positieve uitgang produceert.

DC-somversterker

Deze schakeling combineert vier DC-ingangsspanningen tot één uitgang. Ingangen V1 en V2 worden aangelegd op de niet-inverterende ingang, terwijl V3 en V4 worden aangelegd op de inverterende ingang. Omdat alle weerstanden dezelfde waarde van 100 kΩ hebben, is de uitgang:

VO=V1+V2-V3-V4

De LM321 verhoogt de uitgang wanneer V1 of V2 stijgt en verlaagt deze wanneer V3 of V4 stijgt. Alle invoer- en uitgangsspanningen moeten positief blijven in de getoonde enkelvoeding configuratie.

Amplitude Modulator

Deze schakeling gebruikt de LM321 en een 2N7002 MOSFET om de polariteit van het ingangssignaal te regelen. Wanneer de MOSFET uit is, volgt de uitgang de ingang. Wanneer deze aan is, wordt de niet-inverterende ingang naar aarde getrokken en produceert de LM321 een omgekeerde versie van het ingangssignaal. De 200 kHz draaggolf schakelt herhaaldelijk tussen deze toestanden, waardoor een amplitude-gemoduleerde uitgang ontstaat op basis van het 3 kHz ingangssignaal.

Vermogensversterker

De LM321 regelt een externe transistor om meer uitgangsstroom te leveren dan de IC alleen kan bieden. R1 en R2 creëren negatieve feedback van de uiteindelijke uitgang, waardoor een spanningsversterking van ongeveer:

De LM321 stelt de vereiste uitgangsspanning in, terwijl de externe transistor stroom aan RL levert. Omdat de feedback na de transistor wordt genomen, compenseert de LM321 ook voor de spanningsval van de basis-emitter van de transistor.

Vaste Stroombronnen

R3 en R4 creëren een referentiespanning voor de LM321. Door middel van negatieve feedback regelt de IC de PNP-transistoren zodat er een vaste 2 V over R1 verschijnt. Met R1=2kΩ is de eerste uitgangsstroom:

De tweede transistor deelt dezelfde regeling spanning en gebruikt R2 om een andere constante stroom te produceren. Gelijke weerstandwaarden en nauwkeurig gematchte transistors produceren ongeveer gelijke stromen, I1 en I2.

LM321 Prestatie Kenmerken

Versterking en Bandbreedte

De LM321 heeft een typische gain-bandwidth product van 1 MHz. Dit betekent dat de beschikbare gesloten-lus bandbreedte afneemt naarmate de schakelingversterking toeneemt. Bijvoorbeeld, een spanningsversterking van 10 biedt een approximatieve bandbreedte van 100 kHz. Het apparaat is geschikt voor DC en lage-frequentie signalen, maar is niet bedoeld voor hoge-snelheid communicatie of breedband videoscircuit.

Slew Rate

De LM321 heeft een gespecificeerde slew rate van ongeveer 0,4 V/µs. De slew rate geeft aan hoe snel de uitgangsspanning kan veranderen. Deze snelheid is voldoende voor langzaam veranderende sensorsignalen, audiofrequent-signalen en regelspanningen. Echter, grote hoge-frequentie signalen kunnen vervormd raken omdat de uitgang niet snel genoeg kan stijgen of dalen.

Ingang Offset Spannings

Ingang offset spanning is de kleine differentiële spanning die nodig is tussen de ingangen om de uitgang gelijk aan nul te maken. De LM321 heeft een ingang offset spanning van enkele millivolts, met een maximale waarde van ongeveer 7 mV bij 25°C. Deze offset kan een merkbare uitgangsfout produceren in hoog-versterkende schakelingen, dus de LM321 is mogelijk niet geschikt voor zeer precieze metingen van kleine signalen.

Ingang Bias Stroom

De LM321 gebruikt een bipolair ingangniveau en heeft een typische ingang bias stroom van ongeveer 45 nA, met hogere waarden mogelijk onder gespecificeerde bedrijfsomstandigheden. Deze kleine stroom loopt door de externe ingangweerstanden en kan een extra spanningsfout creëren. Het gebruik van gematigde weerstandwaarden en het balanceren van de weerstand die door beide ingangen wordt gezien kan helpen deze fout te verminderen.

Uitgangsdrive Capaciteit

De LM321 kan typisch een uitgangsstroom van ongeveer 20 mA leveren, maar de beschikbare stroom en uitgangsspanning swing hangen af van de voedingsspanning en de aangesloten belasting. De uitgang kan dichter bij de negatieve voeding komen dan bij de positieve voeding. Het apparaat kan ook relatief grote capacitive belastingen aan, maar is niet bedoeld om rechtstreeks motoren, luidsprekers of andere hoog-stroom belastingen van stroom te voorzien. Een externe transistor of driver moet worden gebruikt wanneer meer stroom vereist is.

Vermogen Verbruik

De LM321 trekt doorgaans slechts ongeveer 430 µA quiescent stroom bij een voeding van 5 V. Dit komt overeen met ongeveer 2,15 mW vermogen wanneer er geen significante laadstroom wordt geleverd:

P=V_S×I_Q=5V×430µA≈2.15mW

Het lage stroomverbruik maakt het nuttig in batterijgevoede sensoren, draagbare apparatuur en continu-opererende bewakingscircuits. Het werkelijke stroomverbruik neemt toe wanneer de uitgang een belasting aandrijft.

LM321 Typische Toepassingen

• Temperatuursensor signaalconditionering

• Batterijspanningsbewaking

• Lage-kant stroomdetectie

• Draagbare meetapparaten

• Actieve laagdoorlaat- en hoogdoorlaatfilters

• Audio signaalvoorversterkers

• Fotodiode signaalversterking

• Druksensor interfaces

• Gegevensverwerkende systemen

• Batterijgevoede medische apparaten, enz.

LM321 vs Andere Operationele Versterkers

Parameter	LM321	LM321LV	LMV321-N	LM358	TLV9301
Aantal kanalen	1	1	1	2	1
Voedingsspanningsbereik	3–32 V	2.7–5.5 V	2.7–5.5 V	3–30 V	4.5–40 V
Gain-bandwidth product	1 MHz	1 MHz	1 MHz	0.7 MHz	1 MHz
Typische sleuf snelheid	0.5 V/µs	0.5 V/µs	1 V/µs	0.3 V/µs	3 V/µs
Maximale invoer offsetspanning bij 25°C	7 mV	3 mV	7 mV	7 mV	2.5 mV
Typische voedingsstroom per kanaal	430–450 µA	90 µA	130 µA	350 µA	150 µA
Ingangsfase	Bipolair	CMOS	Bipolair	Bipolair	CMOS
Rail-to-rail uitgang	Nee	Nee	Ja	Nee	Ja
Hoofdzakelijk voordeel	Brede voedingsrange in een compacte behuizing	Laagspannings- en laagvermogen werking	Snellere laagspanningswerking	Twee versterkers in één IC	Sneller, nauwkeuriger werken
Het beste geschikt voor	Algemeen-doel single-op-versterker circuits	Batterijgevoede laagspanningscircuits	Draagbare laagspanningsapparaten	Dual-kanaal analoge circuits	Verbeterde hoogspanningsontwerpen

LM321 Mechanische Afmetingen

Fabrikant

Texas Instruments (TI) ontwerpt en produceert de LM321 met gebruik van zijn gevestigde analoge halfgeleiderprocessen. Zijn productiecapaciteiten omvatten chipontwerp, waferfabricage, waferproeven, verpakking, elektrische testen en levering van het eindproduct. Tijdens de productie wordt elke LM321 die getest op functionaliteit en belangrijke elektrische kenmerken voordat deze in zijn compacte vijf-pins SOT-23 behuizing wordt samengesteld. Voltooide apparaten ondergaan aanvullende testen om parameters zoals voedingsstroom, offsetspanning, versterking, invoer biasstroom en uitvoerprestaties te verifiëren. TI past kwaliteits- en betrouwbaarheidcontroles toe gedurende de hele toeleveringsketen, waardoor de LM321 consistente werking levert in consument-, industrie- en batterijgevoede circuits.

Veelgestelde Vragen [FAQ]

1. Hoe moeten de voeding-pinnen van de LM321 worden omzeild?

Plaats een 0,1 µF keramische condensator dicht bij de V+ en V− pinnen. Een grotere condensator, zoals 1 µF tot 10 µF, kan ook worden toegevoegd als de voeding ruisig is of ver van de IC is geplaatst.

2. Hoe kan de invoer bias-stroomfout worden verminderd in een LM321-circuit?

Gebruik gematigde weerstandwaarden en zorg ervoor dat de weerstand die door beide ingangen wordt gezien ongeveer gelijk is. In een inverterende versterker kan een weerstand gelijk aan R_IN∥R_F worden geplaatst bij de niet-inverterende ingang.

3. Waarom bereikt de uitgang van de LM321 de positieve voedingsspanning niet?

De LM321 heeft geen rail-to-rail uitgangsfase. Zijn uitgang vereist een spanningsbuffer onder de positieve rail, en de exacte limiet hangt af van de laadstroom, voedingsspanning en temperatuur.

4. Kan de LM321 AC-signalen van een enkele voeding versterken?

Ja. Het AC-signaal moet normaal gesproken worden gepolsterd rond een referentiespanning, vaak de helft van de voedingsspanning. Deze pols geeft de uitgang voldoende ruimte om in beide richtingen te bewegen zonder te clippen.

5. Hoe kunnen ontwerpers de bandbreedte van de LM321 bij een geselecteerde versterking inschatten?

Deel zijn 1 MHz gain-bandwidth product door de ruisversterking van de schakeling. Bijvoorbeeld, een niet-inverterende versterking van 20 geeft een benaderde kleine signaalbandbreedte van 50 kHz.

6. Wat zorgt ervoor dat de uitgang van een LM321 versterker vervormd raakt?

Veelvoorkomende oorzaken zijn onder andere het overschrijden van het gemeenschappelijke ingangsbereik, het aanvragen van een uitgang die te dicht bij de voedingsrails ligt, het aansteken van een zware belasting of het toepassen van een signaal dat de 0,4 V/µs sleufratelimit overschrijdt.

7. Kan de LM321 een lange kabel of grote condensator rechtstreeks aansteken?

Het kan capacatieve belastingen beter aan dan veel basale op-amps, maar kabels en grote condensatoren kunnen nog steeds rimpeling of instabiliteit veroorzaken. Een kleine serie-isolweerstand aan de uitgang kan de stabiliteit verbeteren.