LM321运算放大器详解：PCB布局、电源建议和典型应用实例解析

LM321是一款低功耗、宽电源范围的高性能运算放大器，它能够在3V至32V的电源电压范围内稳定工作，并且能够轻松驱动大电容负载。为了优化功耗，LM321采用了A类输出级设计，在处理大信号时可切换到B类操作模式，这样既保证了小信号的线性度，又能在需要时提供和吸收较大的输出电流。这种设计允许通过添加外部NPN或PNP晶体管来扩展放大器的基本性能。

LM321支持单电源或双电源操作，并具备真差分输入特性，可在0VDC共模电压下保持线性工作。其性能在宽广的电源电压范围内几乎不变，确保了稳定的操作。内置的偏置网络使得电源电流不受电源电压的影响，适用于3V至30V直流电源电压范围。尽管LM321对地或对正电源短路有一定程度的容忍，但这些情况应尽量避免。随着温度升高，LM321可以在25°C以上的环境中提供比标准IC运算放大器更大的输出电流。

由于其出色的性能特点，LM321广泛应用于充电器、电源供应设备、台式计算机以及通信基础设施等领域。

LM321简化电路图

LM321典型应用

①非反相直流增益（0V 输入=0V 输出）

设计要求

电源电压：最高 32 V

相位裕度：60°

详细设计流程

在放大器的输出端和逆变器端之间连接一个1MΩ反馈电阻。

在逆变器端子和地之间连接一个10kΩ电阻。将电阻放置在尽可能靠近反向位置的位置。

连接电源和输入电压。

由于它与温度无关，因此不需要 R。

②直流求和放大器 

直流求和放大器（VIN≥0 VDC，VO≥VDC）是反相放大器的一个特例，如下图所示。该电路给出的反相输出等于所有四个输入的加权代数和。该电路任何输入的增益等于适当输入电阻与反馈电阻之比。该电路的优点是输入和运算之间没有相互作用，例如求和和加权平均很容易实现。

③振幅调制电路

调制器电路如下图所示，开关管采用PWM信号，当MOSFET导通时，电路充当反相放大器，增益为1；当MOSFET关断时，反相与同相信号相互抵消，因此输出以载波频率从-VIN切换到GND。

④功率放大器

功率放大器应用电路如下图所示。R1 和 R2 设定电压增益。输出放大器连接到放大电流的 BJT 基极。电流增益由 β 设定，即 Bijie。产生的输出为负载提供高功率。差分电压电源是必需的。

⑤LED 驱动器

LM321作为LED驱动器的工作原理如下图所示。假设LED上的电压是恒定的。放大器的输出经过二极管。

⑥固定电流源

运算放大器可以为多个负载提供固定电流源。输出电压放大器连接到双极晶体管的基极。反馈从 BJT 的漏极提供到放大器的反相端。第二个和后续 BJT 中的电流由 R1 和 R2 的比率设置。

⑦灯驱动器

和LED驱动器一样，LM321也可作为灯驱动器使用，放大器的输出接双极型晶体管的基极，电流通过灯驱动放大器的β*输出。

电源建议

LM321 适合在高达 32 V 的电压下工作；许多规格适用于 -40°C 至 85°C。将 0.1μF 旁路电容器放置在靠近电源端子的位置，以减少噪声或高阻抗电源引起的耦合误差。有关旁路电容器放置的详细信息，请参阅布局。

布局指南

为了确保器件达到最佳性能，建议采用良好的印刷电路板（PCB）布局实践。噪声可能通过电源引脚在整个电路中传播至模拟部分，即使放大器本身能正常工作。为此，应使用旁路电容来提供一个低阻抗的电源路径，以减少耦合到模拟电路中的噪声，并降低等效串联电阻（ESR）。具体做法是，在每个电源引脚与地之间放置一个0.1μF的陶瓷旁路电容，尽量靠近器件安装。对于大多数应用来说，一个从V+到地的单个旁路电容就足够了。

将电路的模拟和数字部分分别接地是抑制噪声的一种简单而有效的方法。在多层PCB设计中，通常会有一层或多层作为接地平面，这不仅有助于散热，还能降低电磁干扰（EMI）噪声。当物理上分离数字地和模拟地时，要注意避免地电流的交叉干扰。关于更详细的指导，请参阅文献《电路板布局技术》，编号SLOA089。为了进一步减少寄生耦合，应尽可能将输入通道远离电源或输出通道布置；如果无法做到这一点，则最好让敏感走线垂直穿过噪声源。

尽量把外部元件紧挨着设备放置，例如图示显示，保持反馈电阻RF和RG靠近反向输入端可以最大限度地减少寄生电容的影响。此外，应保持输入走线尽可能短，因为输入路径是电路中特别敏感的部分。

考虑在关键线路周围设置一个低阻抗保护环，它可以显著减少因附近不同电位引起的漏电流，从而保护记录轨道。