LM324集成芯片内部电路分析

LM324集成芯片内部电路分析

与典型应用

计科1207班 12281161 安容巧 12281164 陈福棉

摘 要：LM324集成芯片内部构造由四运放构成，其优点相较于标准运算放大器而言，电源电压工作范围更宽，静态功耗更小，因此在生活中有着极为广泛的应用。LM324的四组运算放大器完全相同，除了共用工作电源外，四组器件完全独立。以其中一组运算放大器为例分析，其内部电路共由两级电路构成，其耦合方式为电容耦合，这使得两级电路的直流工作状态相互独立，互不影响。

LM324的典型应用有信号发生器，所以采用带有差动输入的四运算放大器LM324为核心器件，通过RC桥式振荡电路产生正弦波，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波就可以设计出信号发生器电路

关键词：LM324集成芯片，单元电路，工作原理， 应用，信号发生器

1、外部结构与内部电路结构

LM324系列集成芯片（如下图）为四个完全相同的运算放大器封装在一起的集成电路，

该集成电路外部具有十四个管脚，分别包含八个输入端口、四个输出端口以及两个电压端口。

图2为LM324的管脚连接图。除电源共用外，四组运放相互独立。由图可知：第1、7、8、14号管脚为输出管脚，分别对应四个运算放

大器的输出端。第2、6、9、13号管脚为负输入端。第4、11两管脚连接工作电压。

使用时，在4、11号管脚处分别接入正负工作电源（一般为12V或15V）将输入端高点平输入至正输入端，低电平输入至负输入端，此时在输出端便可得到经过同相放大的电压。若将正负端反接，则可在输出端得到经过反响放大的电压。 与标准运算放大器相比，LM324这种差动输入方式的器件具有显著的优点。它的优点在于电源电压范围宽、静态功耗小、可采用单（双）电源方式使用，价格低廉。因此，LM324的应用在各种电路中。

2、单元电路分析

LM324的1、2、3；5、6、7；8、9、10；12、13、14管脚分别组成四个运算放大器单 元。下面就一个单元作简要分析。电路图如图3所示。

电路总共分为两级。首先前级输入端输入的电路为双端输入单端输出的差分放大电路。差分电路上方偏置电阻为电流源形成的有源负载。差分电路的共模输入以及下方的恒流源电路都起到稳定工作点以及输出电压的作用。另外，镜像电流源也可为电路提供直流工作电流

使得电路有合适的静态工作点，确保电路在直流状态下能够正常工作，同时保证信号放大过程中不会出现饱和失真或截止失真。差分电路的输出端经过共射、共集放大器，这两个器件

的作用是对输出信号进行放大。

电路由一电容耦合至第二级电路。第二级电路的核心部分是由一个PNP型管构成的共基组态电路。共基组态放大器的特点是信号工作带宽范围大、适合用于高频电路中。

下面来判断电路经过三极管放大后输入端以及输出端信号的极性。由顺势极性法我们可以得知，在经过差分放大电路后，第一级电路输出为正点位。由于共基组态放大电路输出电压与输入电压的方向相同，因此输出端输出为正电位，这与实际云端放大器要求相符合。

3、LM324 的应用

1）LM324作反相交流放大器

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

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。

3）LM324作交流信号三分配放大器

此电路可将输入交流信号分成三路输出,三路信号可分别用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极

小。因运放Ai输入电阻高,运放A1-A4均把输出端直接接到负输入端,信号输入至正输入端,相当于同相放大状态时Rf=0的情况,故各 放大器电 压放大倍数均为1,与分立元件组成的射

极跟随器作用相同。 R1、R2组成1/2V+偏置，静态时A1输出端电压为1/2V+，故运放A2-A4输出端亦为1/2V+，

通过输入输出电容的隔直作用，取出交流信号，形成三路分配输出。 4） LM324应用作测温电路

感温探头采用一只硅三极管3DG6，把它接成二极管形式。硅晶体管发射结电压的温度系数约为-2.5mV/℃，即温度每上升1度，发射结电压变会下降2.5mV。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。

5）LM324应用有源带通滤波器

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/（п*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/（2пfoAoC）,R2=Q/（（2Q2-Ao）*2пfoC）,R3=2Q/（2пfoC）。上式中,当

fo=1KHz

时,C

取

0.01Uf。

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。

4、应用电路设计—— 信号发生器

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器，电路形式可以采用由运放及分离

元件构成，也可以采用单片集成函数发生器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。目前广泛使用的一些标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，而且有许多功能用不上。这里采用带有差动输入的四运算放大器LM324为核心器件，通过RC桥式振荡

电路产生正弦波，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波。通过Proteus软件仿真和模拟实验获得了20 Hz～20 kHz的理想的波形，信号的频率和幅度都可以调节。 4.1 总体方案确定

波形产生和变换的方案很多，这里采用图1所示正弦波→方波→三角波方案。其中正弦波采用RC桥氏振荡电路产生，其特点是振幅和频率稳定且调节方便，能够产生频率很低的正弦信号；然后用过零比较器产生方波，再经过RC积分电路产生三角波，三种信号的频率相同。

该电路结构简单，且能产生良好的正弦波和方波信号，但经过积分电路产生同步的三角波信号存在难度。原因是若积分电路的时间常数不变，随着方波信号频率的改变，输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波的输出幅度不变且线性良好，必须同时改变积分时间常数的大小。

信号的频率由正弦振荡电路的RC选频网络决定。由于频率范围跨度较大，选频网络采用三组不同容量的电容构成三个频段，通过波段开关选择，再由同轴电位器来调节振荡频率。三种波形可通过一个档位开关选择，再经过幅度的调节电位器独立输出，以达到选择信号和调节幅度的目的。

4.2 单元电路的设计

4.2.1 正弦波产生电路

正弦波产生电路不仅要产生所需输出的正弦信号，而且是后面电路的输入信号。该部

分电路采用典型的RC桥氏正弦波振荡电路，如图2所示，它由放大环节与选频网络两部分组成。以运算放大器为核心构成放大环节，由电阻R1与电容C1串联、电阻R2与电容C2并联所组成的网络为RC串并联选频网络。选频网络同时为正反馈电路，提供零相移并构成同相放大器，R3，R4为深度负反馈，以获得良好的输出波形。若R1=R2=R，C1=C2=C，则选频网络的中心频率为fo=1／(2πRC)。当电路工作于该频率时，反馈系数最大且为|F|max=1／3，根据振荡条件，放大电路的电压增益至少应该为3A |(R4R3)／R4|，因此为

了保证电路起振，要求R3>2R4。

在实际应用中，为了能够调节频率与放大器的增益，可采用如图3所示电路。其中：R3～R5与二极管D1，D2构成负反馈网络和稳幅环节。调节RV3可改变负反馈的反馈系数，从而调整放大电路的电压增益，使之满足振荡的复制条件。

鉴于信号频率20 Hz～20 kHz跨度较大，因此采用2组各3只容量相差10倍的电容和2只同轴电位器来调节。选用不同的电容作为振荡频率fo的粗调，用同轴电位器实现fo的微调。不同电容及振荡频率fo对应的电阻阻值如表1所示。

从表1可以看出，每一个电容和电阻的组合都可以调节一定范围的频率，而这三范围有交叉，故可实现频率连续可调。如要产生200Hz～2 kHz的信号，可将电容置为33 nF，再同时调节RV1，RV2使之与R1，R2串联的阻值在24 kΩ～2．4 kΩ之间变化。

4.2.2 方波产生电路

方波产生电路相对比较简单，将运算放大器

LM324的反相输入端接地，同相输入端

接正弦波产生电路的输出端构成过零比较器，如图4所示。

当输入的正弦信号sin在正负半周之间变化时，输出为幅值固定且与正弦波同相的方波信号squ。

4.2.3 三角波产生电路

三角波产生电路采用如图5所示的RC积分电路，由运放

组成。

与R7、RV4

方波信号squ通过R7和RV4接放大器的反相输入端，输出信号由R7，RV4与

组成的RC电路进行积分变换产生的三角波tri。电容

通过波段开关

(该开关应该与选频率网络的波段开关同步)选择，以改变不同频段电路的积分时间常数，电位器RV4可以调节输出信号的幅度。为获得线性良好的三角波，采用电阻R8进行负反馈限幅，并在选择元件参数时，应使积分电路的时间常数τ=RC大于方波信号周期的一半(方波的宽度)。如信号频率为100Hz，则方波的宽度为0．005s，若取C=1μF，则R>5kΩ。

4.3 电路仿真与测试

在Proteus中绘制图3～图5所示各部分电路，三部分电路按照图1所示关系连接，

再将各部分电路的输出端接虚拟示波器，然后开始仿真，即可观察到图6所示的仿真波形。Proteus中原理图的绘制与仿真见文献。在仿真过程中，有几个问题需要注意：根据理论推算，正弦波产生电路在放大器的增益大于3即可起振，但实际仿真过程中有时会出现不起振的现象，为此可在电源中加入扰动来解决，如图3中的-9 V电源，详见文献。若要变换频段，

三组电容器须同时改变，否则会不起振或波形失

真。电位器RV1，RV2要调节到相同的阻值，调节RV3使输出正弦波幅值达到最大不失真状态，RV4可以调节输出三角波的幅度。通过对电路进行实验测试，在示波器上可以观察到三种理想的波形。应该注意的是：开关SW1，SW2，SW3要采用1个3组以上的3位波段开关。RV1，RV2采用同轴电位器进行调节。三种输出信号可以同时并行输出，也可以通过一个选择开关并经电位器(使信号幅度可调)单独输出。另外实际测试时电源不用再加扰动。

5. 总结：

在这次报告的完成中我和我的伙伴收获了很多，在收集资料和把资料整合完成的过程

中，我们共同学会了LM324的内部结构以及原理，还有它的在电路中各种应用如同反相器，同相器，还有有源带通滤波器等，最后，通过运用LM324设计信号发生器时，更深刻的了解了LM324的功能，也懂得了信号发生器的工作原理，也学会了运用Proteus完成电路的仿真和模拟，所以在这次研究性课题中我们受益良多。

另外我们也要感谢老师在课上教会我们研究问题的方式和所需要解决问题的知识，这些

都让我们在处理这个问题上显得得心应手。 参考文献：

【1】 百度百科URL：http://www.baidu.com/ (2013/12/21) 【2】 刘颖《电子技术》北京邮电大学出版社 【3】 兰吉昌《数字集成电路应用260例》