通用四運(yùn)放的原理與應(yīng)用（LM324為例）,Principles and Applications of Operational Amplifiers

關(guān)鍵字：LM324,運(yùn)放，運(yùn)算放大器，比較器，震蕩器

本文就高性能集成四運(yùn)放LM324的參數(shù)，進(jìn)行實(shí)用電路設(shè)計(jì)，論述電路原理。
LM324是四運(yùn)放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝,外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器, 除電源共用外,四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號來表示,它有5個(gè)引出腳,其中“+”、“-”為兩個(gè)信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端,“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中,Vi-（-）為反相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端,表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的 引腳排列見圖2
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由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 下面介紹其應(yīng)用實(shí)例。
LM324作反相交流放大器
電路見附圖。此放大器可代替晶體管進(jìn)行交流放大,可用于擴(kuò)音機(jī)前置放大等。電路無需調(diào)試。放大器采用單電源供電, 由R1、R2組成1/2V+偏置,C1是消振電容。
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放大器電壓放大倍數(shù)Av僅由外接電阻Ri、Rf決定：Av=-Rf/Ri。負(fù)號表示輸出信號與輸入信號相位相反。按圖中所給數(shù)值, Av=-10。此電路輸入電阻為Ri。一般情況下先取Ri與信號源內(nèi)阻相等,然后根據(jù)要求的放大倍數(shù)在選定Rf。Co和Ci為耦合電容。
LM324作同相交流放大器
見附圖。同相交流放大器的特點(diǎn)是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成1/2V+分壓電路,通過R3對運(yùn)放進(jìn)行偏置。電路的電壓放大倍數(shù)Av也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4,電路輸入電阻為R3。R4的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。
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LM324作交流信號三分配放大器
此電路可將輸入交流信號分成三路輸出,三路信號可分別用作指示、控制、分析等用途。而對信號源的影響極小。因運(yùn)放Ai輸入電阻高,運(yùn)放A1-A4均把輸出端直接接到負(fù)輸入端,信號輸入至正輸入端,相當(dāng)于同相放大狀態(tài)時(shí)Rf=0的情況,故各 放大器電 壓放大倍數(shù)均為1,與分立元件組成的射極跟隨器作用相同。

R1、R2組成1/2V+偏置，靜態(tài)時(shí)A1輸出端電壓為1/2V+，故運(yùn)放A2-A4輸出端亦為1/2V+，通過輸入輸出電容的隔直作用，取出交流信號，形成三路分配輸出。
LM324作有源帶通濾波器
許多音響裝置的頻譜分析器均使用此電路作為帶通濾波器,以選出各個(gè)不同頻段的信號,在顯示上利用發(fā)光二極管點(diǎn)亮的多少來指示出信號幅度的大小。這種有源帶通濾波器的中心頻率? ,在中心頻率fo處的電壓增益Ao=B3/2B1,品質(zhì)因數(shù)? ,3dB帶寬B=1/（п*R3*C）也可根據(jù)設(shè)計(jì)確定的Q、fo、Ao值,去求出帶通濾波器的各元件參數(shù)值。R1=Q/（2пfoAoC）,R2=Q/（（2Q2-Ao）*2пfoC）,R3=2Q/（2пfoC）。上式中,當(dāng)fo=1KHz時(shí),C取0.01Uf。此電路亦可用 于一般的選頻放大。
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此電路亦可使用單電源,只需將運(yùn)放正輸入端偏置在1/2V+并將電阻R2下端接到運(yùn)放正輸入端既可。
LM324應(yīng)用作測溫電路
見附圖。感溫探頭采用一只硅三極管3DG6，把它接成二極管形式。硅晶體管發(fā)射結(jié)電壓的溫度系數(shù)約為-2.5mV/℃，即溫度每上升1度，發(fā)射結(jié)電壓變會(huì)下降2.5mV。運(yùn)放A1連接成同相直流放大形式，溫度越高，晶體管BG1壓降越小，運(yùn)放A1同相輸入端的電壓就越低，輸出端的電壓也越低。
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這是一個(gè)線性放大過程。在A1輸出端接上測量或處理電路，便可對溫度進(jìn)行指示或進(jìn)行其它自動(dòng)控制。
LM324應(yīng)用作比較器
當(dāng)去掉運(yùn)放的反饋電阻時(shí),或者說反饋電阻趨于無窮大時(shí)(即開環(huán)狀態(tài)),理論上認(rèn)為運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大(實(shí)際上是很大,如LM324運(yùn)放開環(huán)放大倍數(shù)為100dB，既10萬倍)。此時(shí)運(yùn)放便形成一個(gè)電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時(shí)，運(yùn)放輸出低電平。
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附圖中使用兩個(gè)運(yùn)放組成一個(gè)電壓上下限比較器，電阻R1、R1ˊ組成分壓電路，為運(yùn)放A1設(shè)定比較電平U1；電阻R2、R2ˊ組成分壓電路，為運(yùn)放A2設(shè)定比較電平U2。輸入電壓U1同時(shí)加到A1的正輸入端和A2的負(fù)輸入端之間，當(dāng)Ui >U1時(shí)，運(yùn)放A1輸出高電平；當(dāng)Ui＜U2，則當(dāng)輸入電壓Ui越出[U2，U1]區(qū)間范圍時(shí)，LED點(diǎn)亮，這便是一個(gè)電壓雙限指示器。
若選擇U2 > U1，則當(dāng)輸入電壓在[U2，U1]區(qū)間范圍時(shí)，LED點(diǎn)亮，這是一個(gè)“窗口”電壓指示器。
此電路與各類傳感器配合使用，稍加變通，便可用于各種物理量的雙限檢測、短路、斷路報(bào)警等。
LM324應(yīng)用作單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
見附圖1。此電路可用在一些自動(dòng)控制系統(tǒng)中。電阻R1、R2組成分壓電路，為運(yùn)放A1負(fù)輸入端提供偏置電壓U1，作為比較電壓基準(zhǔn)。靜態(tài)時(shí)，電容C1充電完畢，運(yùn)放A1正輸入端電壓U2等于電源電壓V+，故A1輸出高電平。當(dāng)輸入電壓Ui變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，二極管D1導(dǎo)通，電容C1通過D1迅速放電，使U2突然降至地電平，此時(shí)因?yàn)閁1>U2，故運(yùn)放A1輸出低電平。當(dāng)輸入電壓變高時(shí)，二極管D1截止，電源電壓R3給電容C1充電，當(dāng)C1上充電電壓大于U1時(shí)，既U2>U1，A1輸出又變?yōu)楦唠娖?，從而結(jié)束了一次單穩(wěn)觸發(fā)。顯然，提高U1或增大R2、C1的數(shù)值，都會(huì)使單穩(wěn)延時(shí)時(shí)間增長，反之則縮短。
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如果將二極管D1去掉，則此電路具有加電延時(shí)功能。剛加電時(shí)，U1>U2，運(yùn)放A1輸出低電平，隨著電容C1不斷充電，U2不斷升高，當(dāng)U2>U1時(shí)，A1輸出才變?yōu)楦唠娖?。參考圖2。