LM324运放内部电路分析

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；

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；

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”；

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对芯片功能的影响，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；

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：

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？

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；