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1lm324应用实例


1 LM324简介
GND

VCC

LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小, 可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在 反相交流放大器、同相交流放大器、测温电路、比 较器等各种电路中。

GND为接地端,VCC为电源正极端(6V),每个运放 的反相输入端、同相输入端、输出端均有编号。例如, 1V 1V 1Vi ?、 i ? 、 O 分别表示1号运放的反相输入端、同相输入 2V 2V 2V 端及输出端。依此类推, i? 、 i? 、 O 是表示2号运放器的, 等等。

GND

VCC

集成运放的主要技术指标
一、开环差模电压增益Aod 无外加反馈情况下的直流差模增益。一般在 105 ? 107之间。理想运放的Aod为?。

?U O Aod ? 20 lg ?U ? ? ?U ?
二、共模抑制比KCMR 开环差模电压增益与开环共模电压增益之比。 多数集成运放共模抑制比达80dB以上。
K CMR Aod ? 20 lg Aoc

理想运放工作在线性区时的特点
uo
i+UOPP

u-
u+
i+


Aod

ui uo
O
?UOPP



-UOPP
线性放大区
非线性区 电压传输特性

集成运放的电压和电流

uo = Aod(u+– u– )
1、 差模输入电压约等于零 即 u+= u– ,称“虚短” 2、 输入电流约等于零 即 i+= i– ? 0 ,称“虚断”

Aod越大,运放的线性范围越小,
必须加负反馈才能使其工作于线 性区。

理想运放工作在非线性区时的特点
1、输出电压有两种可能 当 当

u? ? u? u? ? u?

时 时

u o ? ?U OPP u o ? ?U OPP
uO +UOM
理想特性

2、输入电流

i? ? i? ? 0

在非线性区,虽然运放

两个输入端的电压不相等, u? , u? 但理想运 ? 即 放 rod ? ? 。

O

u+?u?

?UOM

集成运算放大器的使用要点
1.集成运放的电源供给方式 集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE,但有不同的电源 供给方式。对于不同的电源供给方式,对输入信号的要求 是不同的。 (1)对称双电源供电方式 运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端(地)的正 电源(+E)与负电源(-E)分别接于运放的+VCC 和-VEE 管 脚上。在这种方式下,可把信号源直接接到运放的输入脚上 ,而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。

C1

1

7

+ R
2

C2

(a)

+

R1

3

-

(2)单电源供电方式 单电源供电是将运放的VEE管脚连接到地上。此时 为了保证运放内部单元电 路具有合适的静态工作点 ,在运放输入端一定要加 入一直流电位,如图所示 Vi VCC_CIRCLE 。此时运放的输出是在某 + 一直流电位基础上随输入 信号变化。对于图交流放 大器,静态时,运算放大 器的输出电压近似为VCC/2 ,为了隔离掉输出中的直 流成分接入电容C3。

1 VCC_CIRCLE
1

Rf Vcc

2

R
4

+2

1

2

A
2 6

+ C3

V0

VCC_CIRCLE

集成运算放大器的放大原理
反相比例运算放大器
i2 i1

同相比例运算放大器
i2 i1

RF

RF

Vi

R1 RP

Vo Vi

R1 RP

Vo

i1 = i2

差分比例运算电路
在理想条件下,由于 “虚断”,i+ = i? = 0

? RF ? u? ? uI ? ? R1 ? RF
RF R1 u? ? uI ? uO R1 ? RF R1 ? RF

? R1 ? R1 ? RF ? RF
图 差分比例运算电路

由于“虚短”, u+ = u? ,所以: ? RF R1 RF ? uI ? uO ? uI ? ? R1 ? RF R1 ? RF R1 ? RF uO RF 电压放大倍数 Auf ? ?? ? uI ? uI R1

差模输入 电阻

Rif = 2R1

反相求和运算电路
由于“虚断”,i? = 0 所以:i1 + i2 + i3 = iF 又因“虚地”,u? = 0
uO uI1 uI2 uI3 ? ? ?? 所以: R1 R2 R3 RF
RF RF RF uO ? ?( uI1 ? uI2 ? uI3 ) R1 R2 R3

R? ? R1 // R2 // R3 // RF

当 R1 = R2 = R3 = R 时,

RF uO ? ? ( uI1 ? uI2 ? uI3 ) R1

积分运算电路
由于“虚地”,u? = 0,故 uO = ?uC 由于“虚断”,iI = iC ,故
uI = iIR = iCR
1 1 uO ? ?uC ? ? iC dt ? ? uI dt C RC

R? ? R

得:

?

?

τ = RC

——积分时间常数

积分电路的输入、输出波形
(一)输入电压为阶跃信号
uI O uO UI t0 t

当 t ≤ t0 时,uI = 0, uO = 0;
当 t0 < t ≤ t1 时,

t1

O
图 6.3.2

t

uI = UI = 常数, UI 1 uO ? ? ? uIdt ? ? RC (t ? t0 ) RC

即输出电压随时间而向负方向直线增长。 当 t > t1 时, uI = 0,uo 保持 t = t1 时的输出电压值不变。
问题:如输入波形为方波,输出波形为何波?--三角 波

(二)输入电压为正弦波

uI ? U m sin?t
1 uO ? ? ? U m sin?tdt RC Um ? cos? t ?RC

uI
Um

O

?

2? 3?

?t

uO
Um ?RC

O

?t

可见,输出电压的相位比输入电压的相位领 先 90? 。因此,此时积分电路的作用是移相。
注意:为防止低频信号增益过大,常在电容上并联电阻。

微分运算电路
由于“虚断”,i? = 0,故iC = iR 又由于“虚地”, u+ = u- = 0
duC uO ? ?i R R ? ?iC R ? ? RC dt 基本微分电路 可见,输出电压正比于输入电压对时间的微分。

微分电路的作用: 微分电路的作用有移相 功能。
实现波形变换,如将方波变成双向尖顶波,将三 角波变成方波

2.实用微分运算电路
基本微分运算电路在输入信号时,集成运放内部的放大 管会进入饱和或截止状态,以至于即使信号消失,管子 还不能脱离原状态回到放大区,出现阻塞现象。

图7.2.19实用微分运算电路

图7.2.20微分电路输入、输出波形分析

LM324作反相交流放大器

?

VCC

代替晶体管进行交流 放大, 用于扩音机前 置放大等。电路无需 调试。 放大器电压放大倍数 Av=-Rf/Ri。

?

LM324作测温电路
感温探头采用一只硅三极 管3DG6。运放A1连接成同 相直流放大形式,温度越 高,晶体管BG1压降越小, 运放A1同相输入端的电压 就越低,输出端的电压也 越低。这是一个线性放大 过程。在A1输出端接上测 量或处理电路,便可对温 度进行指示或进行其它自 动控制。

集成运放使用中的几个具体问题
1.集成运放参数的测试
集成运放组件的各项指标通常是由专 用仪器进行测试的,但也可用简易测试方 法进行测试,主要测试的内容包括:输入

失调电压U0S 、输入失调电流I0S、开环差
模放大倍数Aud 、共模抑制比CMRR 、共模 输入电压范围Uicm 、输出电压最大动态范 围UOPP 等

2.集成运放的调零问题
由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当 运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不

等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失
调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。 常用的调零方法有内部调零和外部调零,而对于没有内部 调零端子的集成运放,要采用外部调零方法。下面以 mA741为例,图3.2.2给出了常用调零电路。图3.2.2(a)所示 的是内部调零电路;图(b)是外部调零电路。

1

R2

2

R1
+ 3
2

3 2

A
+ 1

R3
1 2

6

V+ Rw
2 1

1

2

10K
2

+ 10uF

-15V

2

? 100?

(a)

(b)

内部调零电路

外部调零电路

1

? 100?

R

100? ?

2

1

51K

2 1

2 1

6

1

2

2

51K

2V-

3

使用中可能出现的异常现象
不能调零
原因: .调零电位器故障; .应用电路接线有误或有虚焊; .反馈极性接错或负反馈开环; .集成运放内部损坏; .关断电源后重新接通即可恢复是 输入信号过大而造成“堵塞”现象
方法:将输入端短路接地,调整调零电位器,使 输出电压为零。

漂移现象严重 原因: ?存在虚焊点 ?运放产生自激振荡或受强电磁场干扰 ?集成运放靠近发热元件 ?输入回路保护二极管受光照射 ?调零电位器滑动端接触不良 ?集成运放本身损坏或质量不合格等

集成运放的自激振荡问题
运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器,在接成 深度负反馈条件下,很容易产生自激振荡。为使放大 器能稳定的工作,就需外加一定的频率补偿网络,以 消除自激振荡。图3.2.3是相位补偿的使用电路。
100pF C R2 1 V+ R1
+
8

2 VCC_CIRCLE

C1 + C2
6

Vi
1

3

R3 V2

1

VCC_CIRCLE

-

1

2

2

V0

+ C4

C3

另外,防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在 集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电 解电容(10mF)和一高频滤波电容(0.01mF~0.1mF)。如图 3.2.3所示。
100pF C R2 1 V+ R1
+
8

2 VCC_CIRCLE

C1 + C2
6

Vi
1

3

R3 V2

1

VCC_CIRCLE

-

1

2

2

V0

+ C4

C3

产生自激振荡 消振措施: ?按规定部位和参数接入校正网络 ?防止反馈极性接错 ?避免负反馈过强
?合理安排接线,防止杂散电容过大

保护电路
1、输入保护
利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制,以免 输入信号超过额定值损坏集成运放的内部结构。无论是输入 信号的正向电压或负向电压超过二极管导通电压,则V1或V2 中就会有一个导通,从而限制了输入信号的幅度,起到了保 护作用。

RF uI R1
VD1 VD2

uO
A

+

限制集成运放两个输 入端间的差模输入电 压不超过二极管VD1、 VD2的正向导通电压

反相输入保护

R1 +V R

RF uO

uI

VD1 VD2

A +

限制集成运放 的共模输入电 压不超过+V至 -V的范围

-V
同相输入保护

2、电源极性错接保护
利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造 成的损坏。当电源极性错接成上负下正时,两二极管均不 导通,等于电源断路,从而起到保护作用。

VD1

A +
VD2

若电源的极性错接,二极 管VD1 、VD2不能导通,使电 源断开

电源接错保护

3、输出端错接保护
利用稳压管V1和V2接成反向串联电路。若输出端出 现过高电压,集成运放输出端电压将受到稳压管稳压值 的限制,从而避免了损坏。

uI

R1

RF

A +
VDZ1

uO
VDZ2

利用稳压管保护运放

4、输出限流保护

R1
C1
VT1

R3
VT3

+VCC IC

C
B A

D

A +
VT2

R5
C2
VT4

O

(b)保护管工作特性
EE

UCE

R2
(a)电 路 图

R4 V

输出限流保护

正常工作时工作点在 A,工作电流过大,工 作点经B 移到C或D 点, 电流基本不变

1 滤波电路的基础知识
作用:选频。 一、滤波电路的种类: 低通滤波器LPF 带通滤波器BPF
? 20 lg Au

滤波电路

高通滤波器HPF 带阻滤波器BEF
? 20 lg Au

通 O
? 20 lg Au

阻 fp f O
? 20 lg Au

阻 fp

通 f

O

阻 f1



阻 f2 f O

通 阻 通 f2 f f1

2.无源低通滤波器:
频率趋于零,电容 容抗趋于无穷大

Aup=1 电压放大倍数为
? Uo 1 ? Au ? ? ? f Ui 1? j fp 1

——通带截止频率 由对数幅频特性知,具有“低通”的特性。 电路缺点:电压放大倍数低,只有1,且带负载能力差。
2?RC

fp ?

解决办法:利用集成运放与 RC 电路组成有源滤波器。

3. 一阶同相低通滤波器
U 0 (s) RF Au s) ( ? ? (1 ? )U p ( s ) U i (s) R1 RF 1    =(1 ? )( ) R1 1 ? sRC
一阶低通滤波电路 RF

用jω 取代s,且令f0=1/(2π RC),得出电压放大倍数 f0 称为特征频率

电压放大倍数
? ? ? Uo Au ? Ui RF Aup R1 ? ? f f 1? j 1? j f0 f0 1?

RF Aup ? 1 ? ——通带电压放大倍数 R1 可见:一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的通带 截止频率相同;但通带电压放大倍数得到提高。 缺点:一阶低通有源滤波器在 f > f 0 时,滤波特性不 理想。对数幅频特性下降速度为 ?20 dB / 十倍频。 解决办法:采用二阶低通有源滤波器。

4. 简单二阶低通滤波器
可提高幅频特性的衰减斜率

RF

U 0 ( s) RF U p ( s) Au s) ( ? ? (1 ? ) U i ( s) R1 U i ( s) RF 1  =(1 ? ) 2 R1 1 ? 3sRC ? ( sRC )
用jω 取代s,且令f0=1/(2π RC)
简单二阶低通电路

RF 1? R1 ?u ? A f 2 f 1? ( ) ? j? 3 f0 f0

简单二阶低通电路的幅频特性

输入电压经过两级 RC 低通电路, 在高频段,对数幅频特性以 ?40 dB /十倍频的速度下降,使滤波 特性比较接近于理想情况。 令电压放大倍数分母的模等于 2
简单二阶低通电路的幅频特性

可解出通带截止频率 fP=0.37 f0 问题:在 f = f0 附近,输出幅度衰减大, fP 远离f0

引入正反馈,可以增大放大倍数,使 fP 接近f0 滤 波特性趋于理想 。

5.压控电压源二阶低通滤波电路

Aup (s) Au s) ( ? 1 ? [3 ? Aup (s)]sRC ? (sRC ) 2
用jω 取代s,且令f0=1/(2π RC)
压控电压源二阶低通滤波电路

? Au p Uo ? Au ? ? ? U i 1 ? ( 3 ? Aup )j?RC ? ( j?RC ) 2 Aup ? f 2 1 f 1?( ) ? j ? f0 Q f0 1 ? ? 1 ? RF f ? 1 Q? Aup 0 3 ? Aup R1 2?RC

压控电压源二阶低通滤波电路

矩形波发生电路
一、电路组成

RC 充放电 回路

滞回 比较器

滞回比较器:集成运放、R1、R2; 充放电回路:R、C;(延迟环节、反馈网络) 钳位电路:VDZ、R3。(稳幅环节)

二、工作原理
设 t = 0 时,uC = 0,uO = + UZ 则 当
R1 u? ? UZ R1 ? R2
? R1 UZ R1 ? R2

u? u+

uC

u? = uC = u+ 时,

O t1 t2

输出跳变, uO = ? UZ R1 ? UZ R1 ? R2 R1 uO 则 u? ? ? UZ R1 ? R2 ? UZ 当 u? = uC = u+ 时,输出 O 又一次跳变, uO = + UZ
? UZ

t

T 2

T 2

t

三、振荡周期
电容的充放电规律:
uC ( t ) ? ?uC (0) ? uC (? )? e
?

?
t

R1 UZ R1 ? R2

uC

?

? uC (? )
?

O

t1

t2

t3

t

对于放电,
R1 uC (0) ? ? UZ R1 ? R2
T R1 uC ( ) ? ? UZ 2 R1 ? R2

R1 UZ R1 ? R2

uC (?) ? ?U Z

? UZ

uO
T 2

? ? RC

O
? UZ

T 2

t

解得: T ? 2 RC ln(1 ? 2 R1 ) R2

振荡频率f=1/T

结论:改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电 阻,即可改变振荡周期。

四、占空比可调的矩形波发生电路
使电容的充、放电时间常数不 同且可调,即可使矩形波发生器的 占空比可调。 充电时间 T1 uC 放电时间 T2
O t 占空比 D

图 8.3.5a
uO
T1 T2

O
T

t

2 R1 ?? T1 ? 2( R ? RW )C ln(1 ? ) R2 2 R1 ? T2 ? 2( R ? RW )C ln(1 ? ) R2 ?? R ? RW T1 D? ? T 2 R ? RW

三角波发生电路
一、电路组成 电路分析
uO1为方波 uO2为三角波

1 uO ? ? ? u I dt ? uO (tO ) RC UI ?? (t1 ? t 0 ) ? uO (t O ) RC

采用波形变换的方法得到三角波

实用电路
左边是同相输入滞回比较器 右边为反向积分运算电路

R4

R3

二、工作原理

R1 R2 u? ? uo1 ? uo R1 ? R2 R1 ? R2 R1 阈值电压 U T= ? ? U Z R2
当 u+ = u? = 0 时,滞回比较 器的输出发生跳变。

uO +UZ -UT +UT

图 8.3.7

uI
图 8.3.8

传输特性

-UZ

二、工作原理

R4

R3

R1 R2 u? ? uo1 ? uo R1 ? R2 R1 ? R2 R1 阈值电压 U T= ? ? U Z R2

当 u+ = u? = 0 时,滞回比较 器的输出发生跳变。

uO1

? UZ

图 8.3.7

O
? UZ

设t=0时, uO1 = +UZ u0= 0 1 uO ? ? ? u I dt ? uO (tO ) R3C UI ?? (t1 ? t 0 ) ? uO (t O ) R3C

t

? U om

uO

O
? U om

t 图 8.3.9

三、输出幅度和振荡周期
当 u+ = u? = 0 时,uO1 跳变为 -UZ, uO 达到最大值 Uom 。

R1 R2 u? ? uo1 ? uo R1 ? R2 R1 ? R2
解得三角波的输出幅度 振荡周期

U om

R1 ? UZ R2

UI uO ? ? (t1 ? t0 ) ? uO (tO ) R3C

4 R3CU om 4 R1 R3C T? ? UZ R2

调节电路中的R1 、 R2、R3阻值和C的容量,可改变振荡频率。 调节R1 、 R2的阻值,可改变三角波的幅值。

锯齿波发生电路
一、电路组成

二、输出幅度和振荡周期
正向积分时间常数远大于反 向积分时间常数或者相反。

R1 U om ? UZ R2 ? ?? 2 R1 RW C 2 R1 RW C T1 ? T2 ? R2 R2 2 R1 RW C T ? T1 ? T2 ? R2
T1 D? T

uO1
? UZ

T2 O
?U uO Z

T1 t

? U om

O
? U om

t T

波形变换电路
三角波变正弦波电路 1.滤波法 2.折线法

-12

11

f0=R2/4R1R4C1=250Hz
U1A 1

C1

0.1uF

2 3

R3 UO1 2K R2 10K R1 3.9V 10K ZD2 3.9V ZD1

R4 10K

6 5

U1B 7 LM3 24 UO2

LM3 24

R5 10K

4
+12

C2 R6 UO2 3.9K 3.9K C3 0.1uF R8 5K6 R7

0.1uF U1C 10 8 9 LM3 24 3K3 R9 UO3

f0=408Hz

Q=1.59,此时 f0 为截 止频率

VI __ Vim
1.0

VI __
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

Vim

Vo __ Vim

t 1=

* 18

5 __

T __

t = * 4 , 2 9

5 __

T __ 4

, t 3= 9 *

7 __

T __ 4

, t 4=

T __ 4

t

Rb1

D1
Ra1 Rb2 + VR

D2
Ra2 Rb3

D3
Ra3 Rb4

D4

Ra4 -VR Rb5

D5

Ra5 Rb6

D6

Ra6

Rf2

Vi Rf1 W

_
Vo

+

图所示的电路,是一个由多个限幅器接在运 放反馈支路中所构成的二极管函数电路。设 置二极管D1~D3和D4~D6的偏置电路参数, 使分压电阻的阻值对应相等。在选定适当的 阻值后,当输入一个三角波信号时,两组二

极管将分别在正负半周的不同电压下导通,
则在电路的输出端可得到一个逼近于正弦波

的折线组合。


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六、注意事项可用实验2.4运放线性运用1中提到的LM324四运放,但 须注意电源
实验三 电阻分检1_图文.ppt
四、元器件的选择 1、 LM324集成运放 LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列...举一个应用的典型例子:电吉他的信号输出属于高阻,接入录音设备或者 音箱时,在...