LM358运算放大器应用详解：从带通滤波到电压振荡的7大经典电路

在上一篇“LM358经典应用电路原理解析(上)”中，我们学习了LM358的基础原理与几个入门电路。本文将继续深入，解析更多经典的中级应用电路。理解这些电路前，请务必重温两个核心概念：虚短与虚断。

虚短 (Virtual Short)：在负反馈电路中，运放的同相输入端（+）和反相输入端（-）的电压近似相等。
虚断 (Virtual Open)：运放的输入阻抗极高，因此可以认为流入其两个输入端的电流为零。

掌握了这两点，我们就能拨开复杂模拟电路的神秘面纱，直击其工作原理。

07 带通有源滤波器

电路功能：
这是一个高Q值（高品质因数）的带通滤波器。它只允许一个非常窄的频率范围（中心频率fo=1kHz）的信号通过，并对其进行放大，而其他频率的信号则会被急剧衰减。高Q值意味着它的频率选择性非常好。

工作原理：
这个电路采用了两级运放结构，是一种被称为“状态变量”或“多重反馈”的复杂滤波器拓扑。

• 第一级运放： 构成了电路的核心滤波部分。输入信号通过R1进入，而C1、C2、R2、R3、R4等元件形成了一个复杂的多路反馈网络。这个网络巧妙地结合了积分和微分特性，同时产生了低通、高通和带通的响应。
• 第二级运放： 构成一个反相放大器。它将第一级产生的滤波信号进行进一步放大，增益由R6/R5决定。
• 协同工作： 整个电路通过精密的反馈设计，使得在中心频率fo处，信号能够同相叠加并被放大；而在偏离中心频率时，信号会因相移而相互抵消，从而被衰减。最终，只有中心频率1kHz附近的信号能从Vo端输出。

08 灯驱动程序（大电流驱动）

电路功能：
这是一个大电流驱动电路，用于通过运放控制一个需要大电流（如600mA）的负载（如灯泡）。LM358本身只能输出几十毫安的电流，不足以直接驱动。

工作原理：
这个电路的核心是用三极管来扩大运放的电流输出能力，是典型的“小信号控制大功率”思路。

• 运放作为“大脑”： 运放仍然配置成电压跟随器或放大器，根据输入信号产生一个控制电压。
• 三极管作为“肌肉”： 运放的输出端连接到NPN型功率三极管的基极（Base）。运放输出的小电流（图示30mA）作为三极管的基极电流。
• 电流放大： 三极管具有电流放大作用，其集电极（Collector）电流是基极电流的β倍（β是三极管的电流放大系数）。图示β≥20，所以30mA * 20 = 600mA，三极管可以输出高达600mA的电流来点亮灯泡。

通过控制运放的输入，就可以间接、精确地控制流过灯泡的大电流，实现例如调光等功能。

09 电流监测器

电路功能：
这是一个高边电流检测电路。它用于测量流过负载RL的电流IL，并将其转换成一个与之成正比的、方便测量的电压信号Vo。

工作原理：

• 采样电阻： R1是一个小阻值的采样电阻（或叫分流电阻），串联在主电流回路中。当电流IL流过时，会在R1两端产生一个微小的压降 V_R1 = IL * R1。
• 差分放大： 运放和外围的R2、R3以及三极管构成了一个差分放大器。它专门放大R1两端的这个微小电压差。
• 负反馈稳定： 运放通过驱动三极管，调节流过R3的电流，最终使得其反相输入端（-）的电压等于同相输入端（+）的电压（“虚短”）。
• 线性输出： 经过电路的精密配置，最终输出的电压Vo与被测电流IL成一个精确的线性关系。根据图示公式 Vo = 1V * (IL / 1A)，这意味着当电流IL为1A时，输出电压Vo正好是1V；当IL为0.5A时，Vo就是0.5V。这样，我们通过测量Vo的电压值，就能直接知道IL的电流大小。

10 低漂移峰值检测器

电路功能：
这是一个高精度峰值保持电路。它能捕捉并“记住”一个随时间变化的输入信号Vin所达到的最高电压值。

工作原理：

• 第一级运放（充电缓冲）： 当Vin电压上升时，第一级运放作为电压跟随器，其输出会跟随Vin上升，并通过二极管给电容C充电。
• 电容（记忆元件）： 电容C用于存储捕捉到的峰值电压。
• 二极管（单向阀）： 当Vin电压开始下降时，二极管反向截止，防止电容C通过第一级运放的输出端放电，从而将峰值电压“锁”在电容上。
• 第二级运放（输出缓冲）： 第二级运放也是一个电压跟随器。由于运放的输入阻抗极高（“虚断”），它在读取电容C上的电压时，几乎不消耗电荷，从而可以长时间保持峰值电压。同时，它提供一个低阻抗的输出Vo。
• 第三级运放（补偿电路）： 这是个高级设计。它用于补偿由运放输入偏置电流引起的微小误差，防止电容上的电压缓慢漂移，进一步提高了电路的精度和保持时间。

11 电压跟随器

电路功能：
这是运算放大器最基础的应用之一，也叫单位增益缓冲器。它的作用是让输出电压Vo精确地等于输入电压Vin。

工作原理：

• 电路将运放的输出端直接连接到其反相输入端（-）。
• 根据“虚短”原则，反相输入端（-）的电压V-约等于同相输入端（+）的电压V+。
• 因为V+ = Vin，而V- = Vo，所以Vo ≈ Vin。

它的主要价值在于阻抗变换：输入阻抗极高（不从信号源索取电流），输出阻抗极低（能驱动较重的负载），非常适合用作隔离前后级电路的缓冲器。

12 功率放大器外围电路

电路功能：
这是一个反相放大电路，用于将输入信号Vin进行放大。

工作原理：

• 这是一个标准的反相放大器结构。同相输入端（+）通过R2接地。
• 根据“虚短”原则，反相输入端（-）的电压也近似为0V（这个点被称为“虚地”）。
• 输入电流 I_in = Vin / R3。
• 由于“虚断”，这个电流几乎全部流过反馈电阻R1，在R1上产生的压降为 V_R1 = I_in * R1。
• 输出电压 Vo = -V_R1 = -(Vin / R3) * R1。
• 所以放大倍数 Av = Vo / Vin = -R1 / R3。

根据图示数值，Av = -910k / 91k = -10。负号表示输出信号与输入信号相位相反（反相180度）。

13 电压控制振荡器（VCO）

电路功能：
这是一个VCO电路，其输出方波的频率可以由一个外部控制电压Vc来调节。

工作原理：
这是一个由积分器和施密特触发器组合而成的经典振荡电路。

• 右侧运放： 构成一个施密特触发器（一个带滞回的比较器），负责产生最终的方波输出OUTPUT 1。
• 左侧运放： 构成一个积分器。它的输入是施密特触发器的输出方波。
• 控制部分： 输入电压Vc通过一个由三极管和电阻构成的压控电流源，来决定给积分电容充电/放电的速率。
• 振荡过程：
  • 施密特触发器输出高电平，积分器开始以Vc决定的速率对电容进行积分（电压下降）。
  • 当积分器的输出电压下降到施密特触发器的下阈值时，触发器翻转，输出变为低电平。
  • 积分器反向积分（电压上升）。
  • 当积分器输出电压上升到施密特触发器的上阈值时，触发器再次翻转。
  • 这个过程周而复始。通过改变Vc，可以改变积分速率，从而直接控制了整个振荡的周期和频率。OUTPUT 2是积分器输出的三角波。

14 固定电流源

电路功能：
这是一个精密恒流源，能为外部电路提供一个稳定不变的电流i1和i2。

工作原理：

• 基准电压： R3和R4分压，为运放的同相输入端（+）提供一个稳定的基准电压V+。
• 负反馈： 运放通过调节其输出来控制三极管的导通程度，使得三极管发射极的电压（即运放的反相输入端V-）精确地等于基准电压V+（“虚短”）。
• 恒定电流： 因为三极管发射极电压被锁定为一个恒定值，所以流过发射极电阻R1的电流 i_emitter = V- / R1 也被锁定为一个恒定值。
• 电流输出： 三极管的集电极电流i1约等于其发射极电流，因此i1也是一个恒定电流。
• 电流镜： 右侧的两个三极管和电阻R2构成一个电流镜电路，它的作用是“复制”电流i1，产生另一个大小相等的恒定电流i2。

15 脉冲发生器

电路功能：
这是一个非稳态多谐振荡器，或称为方波/脉冲发生器。它能自动产生一串连续的脉冲信号。

工作原理：

• 核心结构： 与图5的方波振荡器非常相似，都是基于“施密特触发器+RC充放电”的原理。
• 正反馈（施密特）： R3, R4, R5构成正反馈网络，设定了比较器的两个翻转阈值电压。
• 负反馈（RC延时）： 电容0.001μF和反馈电阻网络（R1, R2和两个二极管）构成了充放电回路。
• 非对称充放电： 这个电路的特点是使用了两个二极管。
  • 当运放输出高电平时，电容通过R1和上面的二极管充电。
  • 当运放输出低电平时，电容通过R2和下面的二极管放电。
• 占空比可调： 由于R1（1MΩ）和R2（100kΩ）的阻值不同，充电和放电的时间常数也不同，导致输出的方波不再是占空比50%的对称方波，而是一个高电平时间和低电平时间不相等的脉冲。

16 交流耦合反相放大器

电路功能：
这是一个只放大交流信号的反相放大器。它会滤除输入信号中的直流成分。

工作原理：

• 核心放大器： 去掉电容看，这是一个由Rf和输入电阻（图中未标出，但Cin之后应有电阻）构成的标准反相放大器，增益Av = -Rf / R1。
• 输入耦合电容Cin： 它的作用是“隔直通交”。对于交流信号，它呈现低阻抗，信号可以通过；对于直流信号（频率为0），它相当于开路，将直流部分挡在外面。
• 偏置网络： R2和R3组成一个分压网络，给运放的同相端（+）提供一个稳定的直流偏置电压（通常是电源电压的一半）。根据“虚短”，反相端（-）的直流电压也会被稳定在这个偏置点。这确保了运放工作在线性区，输出的直流电位也在电源电压中间，为交流信号摆动留出最大空间。
• 输出耦合电容Co： 它再次“隔直通交”，将放大后的交流信号传递给负载RL，同时滤除掉运放输出端的直流偏置电压。

17 交流耦合非反相放大器

电路功能：
这是一个只放大交流信号的非反相放大器。

工作原理：

• 核心放大器： 去掉电容看，这是一个由R2和R1设定增益（Av = 1 + R2/R1）的标准非反相放大器。
• 输入耦合电容Cin： 作用同上，隔离输入信号Vin的直流成分，只让交流信号进入运放的同相端。
• 偏置网络： R3和R5同样是分压网络，为运放的同相端（+）设定直流工作点。C2和R4（可选）用于进一步稳定这个偏置电压，滤除电源噪声。
• 输出耦合电容Co： 作用同上，将放大后的交流信号（其相位与输入相同）传递给负载RL，并滤除直流偏置。

这种电路原理在音频前置放大器、传感器信号调理等只关心交流变化的应用中极为常见。希望这篇对LM358中级应用电路的解析，能帮助你在实际项目中更好地运用这颗经典的运放。如果想与其他开发者交流电路设计心得，欢迎来云栈社区探讨。