LM324：从废弃电路板中窥探的直流放大器设计与应用
LM324：从废弃电路板中窥探的直流放大器设计与应用
搞到一块拆机LM324芯片，SOP-14 封装，批次号已经模糊不清，电路板碎片更是惨不忍睹。焊点氧化严重，元件不是腐蚀就是断腿，简直就是电子垃圾堆里刨出来的。但对付这种破烂，我还是有点心得的，就让我来会会它。
1. 电路残骸分析
首先，这块电路板明显是单面 PCB，走线简单粗暴，符合低成本应用的特点。从残留的焊点和走线布局来看，LM324 的四个运放单元至少用到了两个。芯片周围散落着几颗贴片电阻和电容，阻值和容值大部分已经无法辨认，只有一颗还能看出是 10kΩ 的电阻。根据经验，这种阻值的电阻常用于设定放大倍数或作为反馈电阻。
考虑到电路板的腐蚀程度，可以推断其工作环境比较恶劣。因此，电路的设计目标很可能不是追求极致的性能，而是强调稳定性和可靠性。这意味着我们不太可能看到什么花哨的电路拓扑，更倾向于经典实用的设计。
根据LM324运放电路图和四路运算放大器的应用电路，我初步推测了以下几种可能性：
- 两级放大器： 使用两个运放单元串联，实现更高的放大倍数。考虑到只有一个 10kΩ 电阻可以辨认，很可能采用同相放大器的结构，通过调整另一个电阻的阻值来设定放大倍数。
- 差分放大器： 使用两个运放单元构成差分放大器，用于放大差分信号。这种结构常用于传感器信号的采集。
- 电压跟随器 + 放大器： 使用一个运放单元作为电压跟随器，用于隔离或驱动高阻抗负载，另一个运放单元作为放大器，对信号进行放大。
2. 应用场景推演
基于以上分析，我推测该直流放大电路最有可能的应用场景是传感器信号的采集与放大。具体来说，可能是以下几种情况：
- 热电偶温度传感器： 热电偶产生的电压信号非常微弱，需要高增益的放大器进行放大。两级放大器可以满足这种需求。考虑到恶劣的工作环境，很可能用于工业控制或环境监测等领域。
- 压力传感器： 一些压力传感器输出的信号也是差分信号，需要差分放大器进行放大。这种应用常见于汽车电子、医疗设备等领域。
- 光电二极管： 光电二极管输出的电流信号可以通过跨阻放大器转换为电压信号，然后再进行放大。这种应用常见于光电检测、光通信等领域。
当然，也不排除其他可能性，例如：
- 音频放大器： 虽然 LM324 的性能不算优秀，但也可以用于简单的音频放大。例如，用于对麦克风信号进行放大，或者作为功率放大器的前置放大器。
- 电压比较器： 将 LM324 配置成电压比较器，用于检测电压是否超过某个阈值。这种应用常见于电源管理、电池监测等领域。
3. “教科书”电路批判
常见的 LM324 直流放大电路设计，例如反相放大器、同相放大器，固然简单易用，但在我的“残骸”电路中，反相放大器的可能性较低。原因如下：
- 单电源供电： LM324 可以在单电源下工作，但反相放大器在单电源供电时需要额外的偏置电路，这会增加电路的复杂性，与低成本的设计目标不符。
- 元件数量： 反相放大器需要较多的电阻，而我的“残骸”电路中电阻数量有限。
相比之下，同相放大器更符合我的推测。同相放大器只需要两个电阻就可以设定放大倍数，而且在单电源供电时不需要额外的偏置电路。
4. 仿真验证与改进建议
为了验证我的推测，我使用 LTspice 对我推测的电路进行了仿真。我假设电路采用两级同相放大器的结构，第一级放大倍数为 10，第二级放大倍数为 7，总放大倍数为 70，符合现采用 lm324 运放芯片对其进行两级放大 放大倍数均 为 70 可将传感器的差分电压这一描述。仿真结果表明，该电路可以实现预期的放大倍数，但带宽较窄，噪声较大。
为了提高电路的性能，我提出以下改进建议：
- 更换运放： LM324 的性能毕竟有限，如果对性能有更高的要求，可以考虑更换为更高性能的运放，例如：OP07、TL082 等。
- 增加滤波电路： 在放大器输入端增加低通滤波器，可以滤除高频噪声，提高信噪比。
- 增加保护电路： 在放大器输入端增加保护二极管，可以防止输入电压过高或过低，损坏运放。
5. 未解之谜
虽然我已经尽力还原了原始电路，但仍然有一些未解之谜：
- 缺失元件的功能： 电路板上还有一些焊点，但元件已经缺失，无法确定其功能。这些元件可能是用于滤波、补偿或保护等目的。
- 电路的精确参数： 由于大部分元件已经损坏，无法测量其精确参数。这使得我无法精确计算电路的放大倍数、带宽等指标。
希望通过本文的分析，能够为读者提供一些启发，也欢迎大家一起讨论，共同揭开这块废弃电路板背后的秘密。