LM358經典應用電路原理解析(中)！

原創智芯Player 2026-02-23 18:54

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接著上一篇“LM358經典應用電路原理解析(上)！”繼續，關鍵原理再說一遍：

虛短 (Virtual Short): 在負反饋電路中，運放的同相輸入端（+）和反相輸入端（-）的電壓近似相等。

虛斷 (Virtual Open): 運放的輸入阻抗極高，因此可以認為流入其兩個輸入端的電流為零。

帶通有源濾波器

電路功能：

這是一個高Q值（高品質因數）的帶通濾波器。它只允許一個非常窄的頻率范圍（中心頻率fo=1kHz）的信號通過，并對其進行放大，而其他頻率的信號則會被急劇衰減。高Q值意味著它的頻率選擇性非常好。

工作原理：

這個電路采用了兩級運放結構，是一種被稱為“狀態變量”或“多重反饋”的復雜濾波器拓撲。

第一級運放：構成了電路的核心濾波部分。輸入信號通過R1進入，而C1、C2、R2、R3、R4等元件形成了一個復雜的多路反饋網絡。這個網絡巧妙地結合了積分和微分特性，同時產生了低通、高通和帶通的響應。

第二級運放：構成一個反相放大器。它將第一級產生的濾波信號進行進一步放大，增益由R6/R5決定。

協同工作：整個電路通過精密的反饋設計，使得在中心頻率fo處，信號能夠同相疊加并被放大；而在偏離中心頻率時，信號會因相移而相互抵消，從而被衰減。最終，只有中心頻率1kHz附近的信號能從Vo端輸出。

燈驅動程序（大電流驅動）

電路功能：

這是一個大電流驅動電路，用于通過運放控制一個需要大電流（如600mA）的負載（如燈泡）。LM358本身只能輸出幾十毫安的電流，不足以直接驅動。

工作原理：

這個電路的核心是用三極管來擴大運放的電流輸出能力。

運放作為“大腦”：運放仍然配置成電壓跟隨器或放大器，根據輸入信號產生一個控制電壓。

三極管作為“肌肉”：運放的輸出端連接到NPN型功率三極管的基極（Base）。運放輸出的小電流（圖示30mA）作為三極管的基極電流。
電流放大：三極管具有電流放大作用，其集電極（Collector）電流是基極電流的β倍（β是三極管的電流放大系數）。圖示β≥20，所以30mA * 20 = 600mA，三極管可以輸出高達600mA的電流來點亮燈泡。

通過控制運放的輸入，就可以間接控制流過燈泡的大電流，實現亮度的精確控制。

電流監測器

這是一個高邊電流檢測電路。它用于測量流過負載RL的電流IL，并將其轉換成一個與之成正比的、方便測量的電壓信號Vo。

工作原理：

采樣電阻： R1是一個小阻值的采樣電阻（或叫分流電阻），串聯在主電流回路中。當電流IL流過時，會在R1兩端產生一個微小的壓降 V_R1 = IL * R1。
差分放大：運放和外圍的R2、R3以及三極管構成了一個差分放大器。它專門放大R1兩端的這個微小電壓差。
負反饋穩定：運放通過驅動三極管，調節流過R3的電流，最終使得其反相輸入端（-）的電壓等于同相輸入端（+）的電壓（“虛短”）。
線性輸出：經過電路的精密配置，最終輸出的電壓Vo與被測電流IL成一個精確的線性關系。根據圖示公式 Vo = 1V * (IL / 1A)，這意味著當電流IL為1A時，輸出電壓Vo正好是1V；當IL為0.5A時，Vo就是0.5V。這樣，我們通過測量Vo的電壓值，就能直接知道IL的電流大小。

低漂移峰值檢測器

電路功能：

這是一個高精度峰值保持電路。它能捕捉并“記住”一個隨時間變化的輸入信號Vin所達到的最高電壓值。

工作原理：

第一級運放（充電緩沖）：當Vin電壓上升時，第一級運放作為電壓跟隨器，其輸出會跟隨Vin上升，并通過二極管給電容C充電。
電容（記憶元件）：電容C用于存儲捕捉到的峰值電壓。
二極管（單向閥）：當Vin電壓開始下降時，二極管反向截止，防止電容C通過第一級運放的輸出端放電，從而將峰值電壓“鎖”在電容上。
第二級運放（輸出緩沖）：第二級運放也是一個電壓跟隨器。由于運放的輸入阻抗極高（“虛斷”），它在讀取電容C上的電壓時，幾乎不消耗電荷，從而可以長時間保持峰值電壓。同時，它提供一個低阻抗的輸出Vo。
第三級運放（補償電路）：這是個高級設計。它用于補償由運放輸入偏置電流引起的微小誤差，防止電容上的電壓緩慢漂移，進一步提高了電路的精度和保持時間。

電壓跟隨器

電路功能：

這是運放最基礎的應用之一，也叫單位增益緩沖器。它的作用是讓輸出電壓Vo精確地等于輸入電壓Vin。

工作原理：

電路將運放的輸出端直接連接到其反相輸入端（-）。
根據“虛短”原則，反相輸入端（-）的電壓V-約等于同相輸入端（+）的電壓V+。
因為V+ = Vin，而V- = Vo，所以Vo ≈ Vin。
它的主要價值在于阻抗變換：輸入阻抗極高（不從信號源索取電流），輸出阻抗極低（能驅動較重的負載），非常適合用作隔離前后級電路的緩沖器。

功率放大器外圍電路

電路功能：

這是一個反相放大電路，用于將輸入信號Vin進行放大。

工作原理：

這是一個標準的反相放大器結構。同相輸入端（+）通過R2接地。
根據“虛短”原則，反相輸入端（-）的電壓也近似為0V（這個點被稱為“虛地”）。
輸入電流 I_in = Vin / R3。
由于“虛斷”，這個電流幾乎全部流過反饋電阻R1，在R1上產生的壓降為 V_R1 = I_in * R1。
輸出電壓 Vo = -V_R1 = -(Vin / R3) * R1。
所以放大倍數 Av = Vo / Vin = -R1 / R3。
根據圖示數值，Av = -910k / 91k = -10。負號表示輸出信號與輸入信號相位相反（反相180度）。

電壓控制振蕩器（VCO）

電路功能：

這是一個VCO電路，其輸出方波的頻率可以由一個外部控制電壓Vc來調節。

工作原理：

這是一個由積分器和施密特觸發器組合而成的經典振蕩電路。

右側運放：構成一個施密特觸發器（一個帶滯回的比較器），負責產生最終的方波輸出OUTPUT 1。
左側運放：構成一個積分器。它的輸入是施密特觸發器的輸出方波。
控制部分：輸入電壓Vc通過一個由三極管和電阻構成的壓控電流源，來決定給積分電容充電/放電的速率。
振蕩過程：

施密特觸發器輸出高電平，積分器開始以Vc決定的速率對電容進行積分（電壓下降）。

當積分器的輸出電壓下降到施密特觸發器的下閾值時，觸發器翻轉，輸出變為低電平。

積分器反向積分（電壓上升）。

當積分器輸出電壓上升到施密特觸發器的上閾值時，觸發器再次翻轉。

這個過程周而復始。通過改變Vc，可以改變積分速率，從而直接控制了整個振蕩的周期和頻率。OUTPUT 2是積分器輸出的三角波。

固定電流源

電路功能：

這是一個精密恒流源，能為外部電路提供一個穩定不變的電流i1和i2。

工作原理：

基準電壓： R3和R4分壓，為運放的同相輸入端（+）提供一個穩定的基準電壓V+。
負反饋：運放通過調節其輸出來控制三極管的導通程度，使得三極管發射極的電壓（即運放的反相輸入端V-）精確地等于基準電壓V+（“虛短”）。
恒定電流：因為三極管發射極電壓被鎖定為一個恒定值，所以流過發射極電阻R1的電流 i_emitter = V- / R1 也被鎖定為一個恒定值。
電流輸出：三極管的集電極電流i1約等于其發射極電流，因此i1也是一個恒定電流。
電流鏡：右側的兩個三極管和電阻R2構成一個電流鏡電路，它的作用是“復制”電流i1，產生另一個大小相等的恒定電流i2。

脈沖發生器

電路功能：

這是一個非穩態多諧振蕩器，或稱為方波/脈沖發生器。它能自動產生一串連續的脈沖信號。

工作原理：

核心結構：與圖5的方波振蕩器非常相似，都是基于“施密特觸發器+RC充放電”的原理。
正反饋（施密特）： R3, R4, R5構成正反饋網絡，設定了比較器的兩個翻轉閾值電壓。
負反饋（RC延時）：電容0.001μF和反饋電阻網絡（R1, R2和兩個二極管）構成了充放電回路。
非對稱充放電：這個電路的特點是使用了兩個二極管。

當運放輸出高電平時，電容通過R1和上面的二極管充電。

當運放輸出低電平時，電容通過R2和下面的二極管放電。

由于R1（1MΩ）和R2（100kΩ）的阻值不同，充電和放電的時間常數也不同，導致輸出的方波不再是占空比50%的對稱方波，而是一個高電平時間和低電平時間不相等的脈沖。

交流耦合反相放大器

電路功能：

這是一個只放大交流信號的反相放大器。它會濾除輸入信號中的直流成分。

工作原理：

核心放大器：去掉電容看，這是一個由Rf和輸入電阻（圖中未標出，但Cin之后應有電阻）構成的標準反相放大器。
輸入耦合電容Cin：它的作用是“隔直通交”。對于交流信號，它呈現低阻抗，信號可以通過；對于直流信號（頻率為0），它相當于開路，將直流部分擋在外面。
偏置網絡： R2和R3組成一個分壓網絡，給運放的同相端（+）提供一個穩定的直流偏置電壓（通常是電源電壓的一半）。根據“虛短”，反相端（-）的直流電壓也會被穩定在這個偏置點。這確保了運放工作在線性區，輸出的直流電位也在電源電壓中間，為交流信號擺動留出最大空間。
輸出耦合電容Co：它再次“隔直通交”，將放大后的交流信號傳遞給負載RL，同時濾除掉運放輸出端的直流偏置電壓。