最近想做一个电流表，用来测量微安级的电流，比如测量一些低功耗手持测量仪表的待机电流等等。这就涉及到了直流小信号放大的问题。比较简单的办法是使用精密运放和高精度的A/D转换器，但是我想控制一下成本，毕竟就自己用用。考虑使用一些通用运放和单片机自带的A/D来完成这个电流表。这个电流表我想做的小一些、便携一些，于是“电池供电”、“单电源工作”、“轨到轨输入输出”成为了选择运放的一些条件。常见而又廉价的LM358基本满足这些条件。
LM358的数据手册中指出，这个运放可以单电源工作，最低工作电压3V，输出电压范围宽，为0V DC到Vcc-1.5V DC。
使用下面这个电路测试LM358放大直流小信号的能力。
图1 测试使用的电路图
搭建的面包板测试电路：
图2 面包板电路
图3 测试现场
电路采用一个9V电池供电，输入电流信号小于1mA，经过一个100Ω的取样电阻Rs得到一个小于100mV的电压，送入LM358的同相输入端。R1和R2取值100K和2K，这样电路的放大倍数约为51。R4是一个有补偿作用的电阻，这个电阻越大，在相同的输入情况下，输出越大。C1和C2是滤波电容，放在LM358的电源脚旁边；C3和C4起到消除纹波，稳定输入和输出信号的作用。R3取50K。一般的单片机片上A/D转换器的输入电阻都比这个值大。
测试的方法是，使用一个2V的电源加在一个电阻Rx（2KΩ到1MΩ）上，得到一个2uA到1mA范围的电流，将这个电流送入Rs，然后测量运放的输出电压。输入电流使用Fluke 17B万用表测量；输出电压使用Fluke 116C万用表测量。测得的数据如下表所示。
表1 测试数据
|
I(uA) |
Rx(KΩ) |
Vin(mV) |
Vout(mV) |
|
|
R4=0Ω |
R4=100KΩ |
|||
|
0 |
∞ |
0 |
0.6 |
57.2 |
|
2.0 |
1000 |
0.2 |
0.6 |
67.7 |
|
3.0 |
680 |
0.3 |
0.6 |
72.6 |
|
4.3 |
470 |
0.4 |
3.3 |
79.3 |
|
9.3 |
220 |
0.9 |
29.3 |
104.4 |
|
21.1 |
100 |
2.1 |
87.5 |
164.5 |
|
30.6 |
68 |
3.0 |
136.0 |
212.4 |
|
102.2 |
20 |
10.2 |
501.6 |
573.3 |
|
201.4 |
10 |
20.0 |
1026 |
1074 |
|
351 |
5.6 |
35.0 |
1764 |
1833 |
|
420 |
4.7 |
41.8 |
2075 |
2183 |
|
935（946） |
2 |
93 |
4789 |
4775 |
对于表1需要说明的是，电流数据仅对R4=100K的情况是准确的。测试进行了两轮，第一轮R4的值为100K，改变Rx，然后记录数据，第二轮R4为0，Rx的取值和第一轮相同，但是这仅仅是标称值，Rx并不是第一轮的同一个电阻，这导致I的值有一些不同，尤其是在I变大时，差别也开始变大。我仅仅在第一轮记录了I的值，第二次的前面一些电流值非常相近，我就没有记录了，但是后面开始变得差别有点大，括弧中的946就是R4=0的情况。另外，Rx是标称值而非实际值。
将表格中的数据绘图后如下面3张图所示。
图4 R4=100K时的I-Vout曲线
从图4可以看出线性度还是不错的。
图5 R4=100K时的I-Vout曲线，前7组数据
图6 R4=0时的I-Vout曲线，前7组数据
从图6和表1可以看出，在R4=0的情况下，当输入较小时，输出一直维持在0.6mV不变。这个0.6mV是使用这个电路图，当输入电压Vin为0时的输出电压，并且随着每个LM358芯片而不同。在R4较小时，较低的输入电压将无法得到高于0.6mV的输出电压。从图5可以看出，在R4较大的情况下，0V的输入就可以得到较大的输出，且输入输出曲线将一直成线性。实测对于0.6mV的LM358，当R3=9.38K时，0V的输入电压正好得到0.6mV的输出，此时若稍微提高输入，则输出将得到线性改变。
另外，在R4=0的情况下更换使用了了另外3个LM358，测得的Vout分别为0.2mV，0.3mV，0.4mV等几个数值。这也基本印证了数据手册中最低输出可以到0V的说法。
R4=100K时的电压增益G=(2183-67.7)/(41.8-0.2)=50.8。实测电路中R1=99.8K，R2=2.011K，计算得G=(1+R1/R2)=50.63。增益的实测值和计算值稍有不用。
R4=0时，取数据的中间段，G=(1764-29.3)/(35-0.9)=50.8。
从上面这些数据和图表基本可以得到这个结论：LM358是可以用来放大直流小信号的，但是需要在数据处理上做一些额外的工作。R4的取值也需要根据实际情况来决定，这个电阻起到了调零的作用。
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