LM324集成芯片内部电路分析与典型应用.doc

LM324集成芯片内部电路分析与典型应用 摘 要：通过查阅芯片手册和运放电路应用的相关资料，对LM324芯片的内部电路进行了分析。本文主要论述LM324芯片内部电路工作原理，分解各功能单元，对相关单元电路进行定性分析，设计通信专业中常用的简单滤波电路。关键词：LM324；放大电路；滤波电路前言LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的 引脚排列见图2 图1 图2正文一、分析芯片内部电路工作原理（下面对四组中的一组进行分析）芯片手册中的电路如下图3图3只对上图简化后的电路（如图4）进行分析其内部电路工作原理，分解各功能单元，对相关单元电路进行定性分析。图4对上图多级放大电路按先后分为第一级差分放大（包含三极管Q1/Q2/Q3/Q4/Q8/Q9），中间级放大（包含三极管Q10/Q11/Q12），输出级放大（包含三极管Q5/Q6/Q7/Q13）。下面逐一分析其作用：1、第一级差分放大（包含三极管Q1/Q2/Q3/Q4/Q8/Q9）如左图,Q1、Q4作为差分放大电路的放大管，Q2，Q3，Q8，Q9组成有源负载，其中Q8、Q9构成基本镜像电流源，较大的有源负载可以提高差模放大倍数，并且提供稳定的静态工作点。采用差动输入方式不仅可以放大有用信号，还可以抑制干扰的共模信号。2、中间级放大（包含三极管Q10/Q11/Q12）如下图三个管子中Q10、Q11为共集组态，这样的放大方式，输入电阻高，输出电阻低，对后级电路的驱动能力器。Q12为共射组态，可以增大放大倍数。三管均由直流稳压源提供爱稳定的静态工作点，其中Q11与Q12之间的电阻给管子提供了直流偏置，保证三极管工作在放大区。3、输出级放大（包含三极管Q5/Q6/Q7/Q13）如下图： 图5 图6 图7在最后的输出级放大电路（如图5）中Q13共集放大（图6），输出电阻低，适宜作为输出级。（图7）Q5-Q7提供共集放大电路的有源负载，通过增大Rc提高了放大倍数。二、设计通信专业中常用的简单滤波电路图8如图8，设计的一阶低通滤波器，当高频信号从左端输入时，直接输出不具有反大作用，只有低频信号被LM324放大后输出，所以具有抑制高频信号的，选择性通过低通信号的作用。理论的高频截止频率fh=1/2(C1*R3)。利用EDA工具对设计的典型应用电路进行仿真验证使用Multisim软件对设计电路进行仿真（LM324内集成了四个运放，这里只用了A和D），使用波特图仪滤波器的绘制幅频特性曲线（如图9）；图9观察发现只经过一阶低通滤波后（不放大），其中频增益有所下降，约为-3.396dB。课率可以通过一阶低通滤波，再经过二级放大实现较为理想的低通滤波器。设计并仿真如图10。波特图结果如图11，可见有明显改善。仿真结果显示其高频截止频率为12.397kHz.基本实现较为理想的滤波效果。图10图11三、扩展：其他LM324芯片应用电路1LM324作反相交流放大器电路见附图。此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电, 由R1、R2组成1/2V+偏置,C1是消振电容。放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值, Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等,然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。2、LM324作同相交流放大器见附图。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路,通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。 LM324作有源带通滤波器许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器,以选出各个不同频段的信号,在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。这种有源带通滤波器的中心频率 ,在中心频率fo处的电压增益Ao=B3/2B1,品质因数 ,3dB带宽B=1/（*R3*C）也可根据设计确定的Q、fo、Ao值,去求出带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/（2foAoC）,R2=Q/（2Q2-Ao）*2foC）,R3=2Q/（2foC）。上式中,当fo=1KHz时,C取0.01Uf。此电路亦可用 于一般的选频放大。此电路亦可使用单电源,只需将运放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放正输入端既可。 3、用四运放LM324制作高灵敏度声音探听器利用本装置，可以听到远处极微弱的声音，它的极强的指向性和极高的灵敏度，能将运动场上运动员和教练员的低声细语尽收耳底，使用起来十分有趣。工作原理电路见上图,装在特制筒子里的话筒，将一定方向上的声音接收下来(其他方向的声音被抑制)，送入放大器放大。放大