基于运放的直流放大器设计

【任务】用LM324运放设计一款直流放大器，要求增益600，输入电阻120k，输出反相。

【分析】因为要求输出与输入反相，所以输入端应取反相端。典型的反相比例放大器如下图1。R1为输入电阻，R2为负反馈电阻，RP为平衡电阻， 设置平衡电阻可以减小运放输入偏置电流在电阻上形成的失调电压，使电路尽量接近于“零输入零输出，有输入才有输出”。

【计算】设计要求输入电阻120k，故R1=120k。又要求增益为600，故反馈电阻R2=600*R1=600*120=72M。但是，当反馈电阻R2很大时（比如这里的72M），对运放输入偏置电流的要求太高，输入信号很可能无法“驱动电路”。为解决这个矛盾，可采用下图2的电路，即从输出端的电阻分压点s取样形成负反馈。

由虚短、虚断，运放输入端U2=U3=0，于是输入电流(Ii=Ui/R1)与反馈电流(If=-Us/R2)相等，即Us=(-R2/R1)*Ui——(1)。

观察节点s，三个支路的电流如下：

通过R3流出节点s的电流I(R3)=(Us-Uo)/R3；

通过R4流入节点s的电流I(R4)=(0-Us)/R4；

通过R2流入节点s的电流I(R2)=Ii=Ui/R1。

根据KCL电流定律，I(R3)=I(R4)+I(R2)，即(Us-Uo)/R3=-Us/R4+ Ui/R1，整理Us=(Ui/R1+Uo/R3)/(1/R3+1/R4)——(2)。

综合(1)、(2)两式，可得：(-R2/R1)*Ui=(Ui/R1+Uo/R3)/(1/R3+1/R4)，继续整理出增益表达式(反馈电流很小，可近似计算)：

Uo/Ui≈-R2*(1/R1+1/R3+1/R4)，

要求增益Uo/Ui=600，不妨取R2=100k（运放周边电阻阻值最好不超过100k）,另为计算方便，使分压下偏电阻R4=100k（阻值不超100k，又是分压电阻不至于分流太多）。于是：

600=100/(1/120+1/R3+1/100)，解出：R3≈6.8k。

平衡电阻RP计算：

当电路输入输出都为0（相当于输入输出都接地），于是：

RP=R1//R2=120k//100k=120*100/(120+100)=54k（用56k标准电阻）。

最终，符合设计要求的原理图如下图3：