通用四運放的原理與應用（LM324為例）,Principles and Applications of Operational Amplifiers

關鍵字：LM324,運放，運算放大器，比較器，震蕩器

本文就高性能集成四運放LM324的參數(shù)，進行實用電路設計，論述電路原理。
LM324是四運放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝,外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器, 除電源共用外,四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示,它有5個引出腳,其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負電源端,“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-（-）為反相輸入端,表示運放輸出端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,價格低廉等優(yōu)點,因此被廣泛應用在各種電路中。 下面介紹其應用實例。
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行交流放大,可用于擴音機前置放大等。電路無需調試。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是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成1/2V+分壓電路,通過R3對運放進行偏置。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。因運放Ai輸入電阻高,運放A1-A4均把輸出端直接接到負輸入端,信號輸入至正輸入端,相當于同相放大狀態(tài)時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A1輸出端電壓為1/2V+，故運放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,以選出各個不同頻段的信號,在顯示上利用發(fā)光二極管點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,品質因數(shù)? ,3dB帶寬B=1/（п*R3*C）也可根據(jù)設計確定的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fo=1KHz時,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,只需將運放正輸入端偏置在1/2V+并將電阻R2下端接到運放正輸入端既可。
LM324應用作測溫電路
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)射結電壓的溫度系數(shù)約為-2.5mV/℃，即溫度每上升1度，發(fā)射結電壓變會下降2.5mV。運放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，便可對溫度進行指示或進行其它自動控制。
LM324應用作比較器
當去掉運放的反饋電阻時,或者說反饋電阻趨于無窮大時(即開環(huán)狀態(tài)),理論上認為運放的開環(huán)放大倍數(shù)也為無窮大(實際上是很大,如LM324運放開環(huán)放大倍數(shù)為100dB，既10萬倍)。此時運放便形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平（V+），就是低電平（V-或接地）。當正輸入端電壓高于負輸入端電壓時，運放輸出低電平。
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附圖中使用兩個運放組成一個電壓上下限比較器，電阻R1、R1ˊ組成分壓電路，為運放A1設定比較電平U1；電阻R2、R2ˊ組成分壓電路，為運放A2設定比較電平U2。輸入電壓U1同時加到A1的正輸入端和A2的負輸入端之間，當Ui >U1時，運放A1輸出高電平；當Ui＜U2，則當輸入電壓Ui越出[U2，U1]區(qū)間范圍時，LED點亮，這便是一個電壓雙限指示器。
若選擇U2 > U1，則當輸入電壓在[U2，U1]區(qū)間范圍時，LED點亮，這是一個“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、斷路報警等。
LM324應用作單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
見附圖1。此電路可用在一些自動控制系統(tǒng)中。電阻R1、R2組成分壓電路，為運放A1負輸入端提供偏置電壓U1，作為比較電壓基準。靜態(tài)時，電容C1充電完畢，運放A1正輸入端電壓U2等于電源電壓V+，故A1輸出高電平。當輸入電壓Ui變?yōu)榈碗娖綍r，二極管D1導通，電容C1通過D1迅速放電，使U2突然降至地電平，此時因為U1>U2，故運放A1輸出低電平。當輸入電壓變高時，二極管D1截止，電源電壓R3給電容C1充電，當C1上充電電壓大于U1時，既U2>U1，A1輸出又變?yōu)楦唠娖剑瑥亩Y束了一次單穩(wěn)觸發(fā)。顯然，提高U1或增大R2、C1的數(shù)值，都會使單穩(wěn)延時時間增長，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功能。剛加電時，U1>U2，運放A1輸出低電平，隨著電容C1不斷充電，U2不斷升高，當U2>U1時，A1輸出才變?yōu)楦唠娖健⒖紙D2。