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LM324运放内部电路分析

CHANBAEK 来源:NB硬件实践知识共享包 作者:硬件牛马 2023-12-01 17:19 次阅读

今天来介绍集成运放,说到运放,一般用于小信号放大,在传感器信号放大电路中具有广泛应用;

我们先看下LM324的内部电路:

  1. 我们观察到运放内部电路与比较器相比,输出多了推挽电路,即下图中的3,所以说运放是有驱动能力的;
  2. 对于下图中1部分,相比较比较器而言,运放这里的电流源更低为6uA,故运放的输入阻抗更大,所以在设计放大电路时,输入可看作断路,“虚断”就是这么来的;
  3. 对于下图中2部分,和比较器结构一样,故输入电压最大不超过VCC-1.5V;

图片

还有就是虚短,虚短怎么理解,说是开环倍数无穷大,这个怎么理解,我们以LM324手册为例,我们来看:

手册中描述开环增益为100dB,经过换算就是100000倍;

图片

我们看电路,来模拟下在开环倍数10 0000倍情况下输入和输出关系:SR为运放的一个重要参数,即压摆率,即输出电压上升是1us上升0.4V;

  1. 我们一点一点分析,我们假设输入VIN = 2V,此时输出VOUT =0V,则反向端电压V- = 0V;
  2. 此时V+>V-,运放输出朝电压电压增加方向走,当VOUT = 0.4V,V- = 0.2V,此时输出继续上升;
  3. 当VOUT = 0.8V,V- = 0.4V,此时输出继续上升,直到VOUT上升到4V,此时V- = 2V = V+,输出将不再增加,达成一个动态的平衡;即这就是所谓的“虚短”;

图片

上面介绍了虚短和虚断,接下来我们来了解下放大电路;

我们还以上述电路为例,输入信号从同向端输入就是同相比例放大电路,反之从反向端输入就是方向比例放大电路;很明显上述电路是同向比例放大电路,我们利用虚短和虚断来求放大倍数:

由虚短可知,V+ = V- = VIN;

由虚断可知,VOUT通过R3,R2接地,根据电阻分压:

V- = VOUT*R2/(R2+R3) =VIN

我们化简下VOUT/VIN = (R2+R3)R2 = 1+R3/R2;即放大倍数 = 1+R3/R2;

那么算到这里又有疑问了,你这里计算结果和R1没关系呀,那我可不可以将R1省去?

是不能省去的哈,我们知道运放为了降低偏置电流芯片功能的影响,2个输入端对地阻抗内部做的及其对称,那么我们在设计外围电路时,就需要考虑这个对称性不能被打破,以免影响到输出,所以我们这里将VIN和VOUT分别接地;

同向输入端对外接地阻抗是R1,反向输入端对外接地阻抗是R2//R3,所以R1 = R2//R3;R1也叫平衡电阻,这个我们在设计电路时要特别注意;

图片

还有就是R2,R3电阻取值也有讲究的,我们计算放大倍数是忽略流进V-的电流的,那么什么情况下这个电流可以忽略,即负反馈电路中电流远大于流进V-的电流;即R2,R3电阻不能取太大,这样我们理论推算的放大倍数和实际测量的才能对得上;

此外R2,R3电阻阻值也不能取太小,太小会将运放输出电流分走,导致输出电流能力降低,这个取值需要我们衡量;

我们再看下反向比例运算电路:

图片

1.由虚短可知,V- = V+ =0V;

2.由虚断可知:

(VIN - 0V) /R2 = (0V - VOUT)/R3;

即VOUT/VIN = -R3/R2;即放大倍数为-R3/R2;

综上我们可以总结出:

1.因为运算放大电路放大电路倍数公式成比例关系,故叫比例运算;

2.同向比例运算放大电路从同向端输入,输出为正;反向比例运算放大电路从反向端输入,输出为负;我们常用的是同向比例运算放大电路;

对于同向比例运算放大电路,如果我们将R1,R3短接,R2断开,即变成了电压跟随器,顾名思义VIN = VOUT,那么这个电路有啥用?

图片

我们知道运放具有输入电阻高,输出电阻低的特点;即带载能力强,那么对于带载能力弱或者不能带载的电路我们能不能用电压跟随器;比如:电阻分压电路是不能带载的,我们可以将分压的A点接电压跟随器的同向输入端,即可扩大带载能力;

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