LM2904雙運(yùn)算放大器及應(yīng)用電路詳解

一、LM2904簡(jiǎn)介

LM2904是一款雙運(yùn)算放大器（Dual Operational Amplifier），采用單一芯片集成設(shè)計(jì)，具有低功耗、低失真等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)處理、音頻放大、濾波器、比較器等領(lǐng)域。LM2904的工作電壓范圍廣，能夠在低電壓環(huán)境下穩(wěn)定工作，并且能夠在單電源供電模式下正常運(yùn)行。

LM2904的典型應(yīng)用包括傳感器信號(hào)處理、音頻放大器、電流測(cè)量、精密比較器等，是電子設(shè)備中常見的基本組件之一。本文將詳細(xì)介紹LM2904的工作原理、特性、應(yīng)用電路及其在不同場(chǎng)景中的具體應(yīng)用。

二、LM2904的工作原理

LM2904采用典型的反向反饋結(jié)構(gòu)，其工作原理與傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器相似。其輸入端分為反相輸入端（Inverting Input）和非反相輸入端（Non-Inverting Input），輸出端則根據(jù)輸入信號(hào)的差異產(chǎn)生相應(yīng)的放大輸出。

1. 輸入端：運(yùn)算放大器的輸入端包括兩個(gè)輸入引腳，其中一個(gè)為反相輸入端，另一個(gè)為非反相輸入端。輸入信號(hào)的幅度與輸入端電壓的差值成正比，輸入信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部放大電路處理后，通過輸出端輸出放大后的信號(hào)。

2. 反饋機(jī)制：LM2904的核心設(shè)計(jì)是反向反饋機(jī)制，反饋信號(hào)會(huì)將放大器輸出端的信號(hào)反饋到輸入端。反饋電路調(diào)節(jié)輸入端的電壓差，以控制輸出端的增益。

3. 增益控制：通過外部電阻的調(diào)節(jié)，可以控制運(yùn)算放大器的增益。增益的計(jì)算公式通常為：

   $$A_v = 1 + frac{R_f}{R_i}$$Av=1+RiRf

   其中，$A_v$Av 為增益，$R_f$Rf 為反饋電阻，$R_i$Ri 為輸入電阻。

4. 輸出端：運(yùn)算放大器的輸出端連接到負(fù)載，輸出電壓的變化與輸入信號(hào)的變化成比例。運(yùn)算放大器通常具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，使其能夠穩(wěn)定工作并且與外部電路良好匹配。

三、LM2904的主要特性

LM2904具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)，這些特性使其在各種應(yīng)用中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)：

1. 雙運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)：LM2904內(nèi)部集成了兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，可以在單個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)多通道的信號(hào)處理，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低成本。

2. 低功耗：LM2904設(shè)計(jì)時(shí)注重低功耗特性，工作電壓范圍為3V到32V，適用于低功耗應(yīng)用，尤其在便攜式電子設(shè)備中具有重要意義。

3. 寬工作電壓范圍：LM2904能夠在寬電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，適合多種電源配置，尤其是單電源供電應(yīng)用。

4. 高輸入阻抗：LM2904具有非常高的輸入阻抗，這意味著它對(duì)輸入信號(hào)源的負(fù)載影響較小，可以直接與高阻抗信號(hào)源連接。

5. 低輸出偏置電流：LM2904的輸入偏置電流低，適合精密信號(hào)處理，減少了輸入端的誤差。

6. 寬溫度范圍：LM2904支持-40℃至+85℃的工作溫度范圍，能夠在較為嚴(yán)苛的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

7. 內(nèi)部短路保護(hù)：LM2904內(nèi)置短路保護(hù)功能，能夠防止過載情況下的損壞。

四、LM2904的常見應(yīng)用電路

1. 非反相放大器

非反相放大器是運(yùn)算放大器常見的應(yīng)用之一。其基本電路由運(yùn)算放大器和兩個(gè)外部電阻組成，輸入信號(hào)接入非反相輸入端，反饋電阻與輸入電阻一起決定了增益。

電路圖：

工作原理： 輸入信號(hào)通過電阻$R_i$Ri接入運(yùn)算放大器的非反相輸入端，輸出端通過反饋電阻$R_f$Rf連接到反相輸入端，形成反饋回路。根據(jù)增益公式，輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的放大版本。

增益公式：

$$A_v = 1 + frac{R_f}{R_i}$$Av=1+RiRf

這種放大器的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供高輸入阻抗，同時(shí)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位一致。

2. 反相放大器

反相放大器的工作原理與非反相放大器相反。它將輸入信號(hào)反相并放大，常用于信號(hào)處理中的增益控制。

電路圖：

工作原理： 輸入信號(hào)通過輸入電阻$R_i$Ri接入運(yùn)算放大器的反相輸入端，輸出端通過反饋電阻$R_f$Rf連接到反相輸入端。與非反相放大器不同，反相放大器輸出的信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。增益公式為：

$$A_v = - frac{R_f}{R_i}$$Av=?RiRf

該電路的應(yīng)用包括信號(hào)倒相、音頻放大等。

3. 比較器電路

運(yùn)算放大器還可以作為比較器使用，常用于數(shù)字電路中，將模擬信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，輸出高或低電平。

電路圖：

工作原理： 比較器電路通過運(yùn)算放大器的輸入端將待比較的信號(hào)Vin與參考電壓Vref進(jìn)行比較。如果Vin大于Vref，則運(yùn)算放大器輸出高電平；如果Vin小于Vref，則輸出低電平。

比較器電路常用于過壓保護(hù)、電平檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景。

4. 濾波器電路

LM2904還可以作為濾波器電路中的運(yùn)算放大器，常見的有低通、高通、帶通濾波器等。濾波器電路能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行頻率篩選，去除不需要的頻率成分。

低通濾波器電路：

工作原理： 輸入信號(hào)通過電阻$R$R接入運(yùn)算放大器的輸入端，反饋電路包括電阻和電容，通過適當(dāng)選擇電阻和電容值，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，從而達(dá)到濾波效果。

五、LM2904的實(shí)際應(yīng)用案例

1. 傳感器信號(hào)處理

LM2904可用于傳感器信號(hào)的放大和濾波。例如，在溫度傳感器應(yīng)用中，傳感器的輸出信號(hào)通常很小，需要通過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。LM2904的低功耗特性使得它在便攜設(shè)備中的應(yīng)用非常廣泛。

2. 音頻放大器

LM2904由于其較高的輸入阻抗和低失真特點(diǎn)，常用于音頻放大器設(shè)計(jì)。音頻信號(hào)通過輸入端接入運(yùn)算放大器，經(jīng)過適當(dāng)增益放大后輸出，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器或耳機(jī)等負(fù)載。

3. 精密電流測(cè)量

LM2904的高輸入阻抗使其適用于電流測(cè)量電路，尤其是在使用分流電阻進(jìn)行電流感測(cè)時(shí)，可以通過運(yùn)算放大器將電流引起的微小電壓變化進(jìn)行放大，提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

六、總結(jié)

LM2904雙運(yùn)算放大器憑借其低功耗、高輸入阻抗、寬工作電壓范圍等特性，在電子電路中得到了廣泛應(yīng)用。從基本的放大電路到復(fù)雜的信號(hào)處理、比較器、濾波器等多種應(yīng)用場(chǎng)景，LM2904都能提供穩(wěn)定、可靠的性能。通過合理的電路設(shè)計(jì)