Beijing Jiaotong University 模拟集成电路研讨
LM324集成芯片内部电路分析与典型应用
学院：电子信息工程学院
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LM324集成芯片内部电路分析与典型应用
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的典型应用有滤波器的制作。

带通滤波器可由一高通滤波器与一低通滤波器级联而成，为了使电压放大倍数达到设计要求，可以改变接入电路电阻阻值来实现。

关键词：LM324集成芯片;工作原理;滤波器
目录
摘要 (2)
一、工作原理 (4)
二、典型应用电路设计——多波形信号发生器 (6)
设计方案 (6)
1.正弦波部分 (7)
2. 方波部分 (8)
3.三角波电路 (9)
三、总结 (11)
四、参考文献 (11)
一、工作原理
LM324系列集成芯片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。

如图1 所示，LM324常用的封装方式有两种：双列直插塑料封装（DIP 封装方式）以及双列贴片式封装（SOP封装方式）。

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。

运算放大器内部的电路图如图：
图中，直流偏置电路有vt5.vt6.vt12.vt17等三极管组成，为各级放大电路的放大三极管三极管提供必要的静态电流；输入极
vt1.vt2.vt3.vt4.vt8.vt9组成改进型公集-共射差分放大电路，双端输入，单端输出。

其中vt8.vt9组成镜像电流源作为差分放大电路的有源负载，vt1.vt4和vt2.vt3分别构成两个对称的公集-共射差分放大电路。

差分放大电路单端输出送到中间放大极q10管的基极。

中间放大级是公集-共射多级级联放大电路，其中vt10.vt11三极管构成两级射极输出电路，是第二级输入电阻很大，从而提高了输入极的电压增益。

Vt15构成一共射电路，进一步提高了放大能力
输出级在单电源供电下，vt19.vt20.构成两级公集放大电路。

放大级vt15集电极端输出的信号送入vt19.vt20，同时送入vt21的发射极，vt17为vt19.vt20放大，输出经过电阻r2送入vt21的发射极，使vt21管截止。

此时为了获得尽可能大的不是真输出电压，应是静态输出电压为工作电源电压的一半，
一半通过在lm324的输入端加适量的偏执电压来实现。

二、典型应用电路设计——多波形信号发生器
设计方案
根据所学的知识，可以使用文氏桥的正反馈作用利用LM324自激震荡产生正弦波，再通过运算放大器可以构成滞回比较器、积分器，可以分别产生方波、三角波。

依靠这些电路的组合，就可以制作成简易波形发生器电路。

该电路具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定等特点。

而且LM324集成运放芯片价格低廉，又很容易买到，可以降低电路的制作成本。

根据要实现的功能，设计的电路系统框图如下图所示：
系统采用±12V双电源供电，主体部分由LM324集成运放芯片构成的文氏桥振荡电路、滞回比较器、积分器电路组成。

它由文氏桥自激振荡产生正弦波，正弦波经滞回比较器产生方波信号，方波信号经过积分器后产生三角波信号。

1.正弦波部分
正反馈网络的反馈电压U f 是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相
比例运算电路作为整体看成电路放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件有
2131uo R Au up R ==+≥ R2≥2R1 2121
R R R R R =+ 且振荡产生正弦波频率
1
f 正弦波电路参数设计：由于RC 桥式振荡的振荡频率是由RC 网络决定的，因此选择RC 的值时，应把已知的振荡频率作为主要依据。

同时，为了使选频网络的特性不受集成放大器输入和输出电阻的影响，选择R 时还应考虑R 应该远远大于集成远放的输出电阻，并且要远远小于集成远放的输入电阻。

根据已知条件，由fo =1/（2πRC ）可以计算电容的值，实际应用时要选择稳定性好的电阻和电容。

R1和Rf 的值可以由起振条件来确定，通常取Rf=2.1R1，这样可以保证起振又不会使输出波形严重失真。

仿真结果：
2. 方波部分
正弦波到方波的转换采用的是迟滞比较器（避免扰动），从集成运放输出端的限幅电路可以知道当Ui>0时，Uo=-12V，当Ui<0时，Uo=12V。

由幅值是两伏与及市产的情况，选所以选Uz=±9的稳压管，作为迟滞比较器，R13越大，迟滞的阈值电压越大，这里选择100欧姆。

仿真结果：
3.三角波电路
由积分器原理可知，
441(t)o i U U dy R C =-⎰，其中R4C4越小，积分的斜率越
大。

运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia ，R6称为平衡电阻。

比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc ，低电平等于负电源电压-Vee （|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee 跳到高电平Vcc 。

仿真结果：
总电路
总体仿真结果：
由于LM324本身频率响应不好，所以方波的上升沿和下降沿时间都比较长。

三、总结
本系统LM324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。

该电路基本达到了竞赛题目中要求的各项任务和功能，并且具有一定的实用性。

通过本次设计，加强了自己的理论水平，提高了自己的动手能力。

在制作电路的过程中更是学到了许多实践经验，如电路板的布线、元器件的识别和整机的调试等各方面的经验。

学到了许多课本上没有的知识，得到了很大的锻炼。

四、参考文献
1.康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，2003.03.
2.胡宴如.模拟电子技术. 高等教育出版社，2000.08.。