运放非线性应用

1、 运放的非线性应用电路运放的非线性应用电路 比较器比较器 非线性应用：非线性应用：是指由运放组成的电路处于非线性状是指由运放组成的电路处于非线性状 态，输出与输入的关系态，输出与输入的关系 uo=f( ui ) 是非线性函数。是非线性函数。 确定运放工作区的方法：确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。判断电路中有无负反馈。 若有负反馈，则运放工作在线性区；若有负反馈，则运放工作在线性区； 若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。 处于非线性状态运放的特点：处于非线性状态运放的特点： 1. 虚短路不成立。虚短路不成立。 2. 输入电阻仍可

2、以认为很大。输入电阻仍可以认为很大。 3. 输出电阻仍可以认为是输出电阻仍可以认为是0。 比较器的功能是比较两个电压的大小。比较器的功能是比较两个电压的大小。 常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗 口比较器和具有滞回特性的施密特触发器。这些口比较器和具有滞回特性的施密特触发器。这些 比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有 的具有两个阈值的具有两个阈值。 比较器的基本特点为：比较器的基本特点为： 工作在开环或正反馈状态。工作在开环或正反馈状态。 开关特性，因开环增益很大，开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只

3、有高电比较器的输出只有高电 平和低电平两个稳定状态。平和低电平两个稳定状态。 非线性，非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。 1 简单电压比较器简单电压比较器 uo ui 0 +Uom -Uom UR 传输特性传输特性 UR：参考电压：参考电压 ui ：被比较信号：被比较信号 + + uo ui UR 特点：运放处于开环状态。特点：运放处于开环状态。 当当ui UR时时 , uo = +Uom 当当ui UR时时 , uo = -Uom 一、若一、若ui从同相端输入从同相端输入 + + uo ui UR uo ui 0 +Uom -Uom UR 当

4、当ui UR时时 , uo = -Uom 二、二、 若若ui从反相端输入从反相端输入 uo ui 0 +UOM -UOM + + uo ui 三、过零比较器三、过零比较器: (UR =0时时) + + uo ui uo ui 0 +UOM -UOM + + uo ui t ui例：例：利用电压比较器将正利用电压比较器将正 弦波变为方波。弦波变为方波。 uo t +Uom -Uom 分析分析 1. 因为有正反馈，所以因为有正反馈，所以 输出饱和。输出饱和。 2. 当当uo正饱和时正饱和时(uo =+UOM) U+ Hom UU RR R U 21 1 3. 当当uo负饱和时负饱和时(uo =UO

5、M) Lom UU RR R U 21 1 + + uo R R2R1 ui 参考电压由参考电压由 输出电压决定输出电压决定 2 施密特触发器迟滞比较器施密特触发器迟滞比较器 特点：特点：电路中使用正反馈，电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。运放处于非线性状态。 1. 没加参考电压的下没加参考电压的下 行迟滞比较器行迟滞比较器 omH U RR R U 21 1 omL U RR R U 21 1 分别称分别称UH和和UL上下门限电压上下门限电压。称。称(UH - UL)为为回差或门限宽度回差或门限宽度。 当当ui 增加到增加到UH时，输出时，输出 由由Uom跳变到跳变到-Uom； + +

6、 uo R R2R1 ui 当当ui 减小到减小到UL时，输出时，输出 由由-Uom跳变到跳变到Uom 。 传输特性：传输特性： UH UL uo ui 0 Uom -Uom t ui Uom -Uom t ui UH UL 例：例：下行迟滞比较器的下行迟滞比较器的 输入为正弦波时，输入为正弦波时， 画出输出的波形。画出输出的波形。 + + uo R R2R1 ui RomH U RR R U RR R U 21 2 21 1 RomL U RR R U RR R U 21 2 21 1 2. 加上参考电压后的下行迟滞比较器加上参考电压后的下行迟滞比较器 加上参考电压后的上下限：加上参考电压后

7、的上下限： + + uo R R2R1 ui UR uo ui 0 Uom -Uom UH UL 例：例：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V 当输入当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出为如图所示的波形时，画出输出 uo的波形。的波形。 + + uo R R2R1 ui UR 5V 10V ui t 0 门限电压：门限电压： V2 21 2 21 1 RomL U RR R U RR R U +UOM -UOM 根据传输特性画输出波形图根据传输特性画输出波形图 ui uo t t 10V 5V 0 0 2V V10 21 2 21 1 RomH U RR R U

8、RR R U + + uo R R2R1 ui + + uo R R2R1 ui 3 3、上行迟滞比较器、上行迟滞比较器 没加参考电压的没加参考电压的 上行迟滞比较器上行迟滞比较器 加上参考电压后的加上参考电压后的 上行迟滞比较器上行迟滞比较器 UR 3 窗口比较器窗口比较器 电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成 设设R1 =R2，则：，则： DLH DCC 21 2DCC L 2= )2( 2 1)2( = VVV VV RR RVV V 当当vIVH时，时，vO1为为高电平高电平，D3导通；导通；vO2为为低低 电平电平, D4截止，截止，v

9、O= vO1。 当当vI VL时，时，vO2为高为高 电平，电平，D4导通；导通；vO1为低为低 电平，电平，D3截止，截止，vO= vO2 当当VH vI VL时，时， vO1为低电平，为低电平，vO2为低电为低电 平，平，D3、D4截止，截止，vO为为 为低电平。为低电平。 一、电路结构一、电路结构 omH U RR R U 21 1 omL U RR R U 21 1 上下门上下门 限电压：限电压： 下行的迟滞比较器，下行的迟滞比较器， 输出经积分电路再输出经积分电路再 输入到此比较器的输入到此比较器的 反相输入端。反相输入端。 + + R R1 R2 C + uc uo 4 方波发生器

10、方波发生器 二、工作原理二、工作原理 1. 设设 uo = + UOM 此时，输出给此时，输出给C 充电充电 则：则：u+=UH 0 t uo UOM -UOM U+H uc 0 t uo 立即由立即由UOM 变成变成UOM + + R R1 R2 C + uc uo Uc上升上升到到UH时，时，uo下下翻。翻。 此时，此时，C 经输出端放电。经输出端放电。 2. 当当uo = -UOM 时，时，u+=UL uc降到降到UL时，时，uo上翻。上翻。 UH uc t UL 当当uo 重新回到重新回到UOM 以后，电路又进入另一个以后，电路又进入另一个 周期性的变化。周期性的变化。 + + R R

11、1 R2 C + uc uo 0 UH uc t UL UOM uo 0 t - UOM T 输出波形：输出波形： + + R R1 R2 C + uc uo 实际运放实际运放 由于工艺问题，实际运放达不到理想运放的性能。由于工艺问题，实际运放达不到理想运放的性能。 以下方面是运放的重要指标，据此选择运放。以下方面是运放的重要指标，据此选择运放。 1 1，失调电压及其漂移，失调电压及其漂移 由于实际运放内部电路元件不完全对称，由于实际运放内部电路元件不完全对称， 输入端短路时输出电压不为零输入端短路时输出电压不为零。 折合为输入端的折合为输入端的等效电压等效电压，Uoo Uoo随温度变化，称为

12、失调电压的随温度变化，称为失调电压的漂移漂移。 2 2，偏置和失调电流，偏置和失调电流 由于实际运放内部电路元件不完全对称，由于实际运放内部电路元件不完全对称， 两个输入端具有两个输入端具有很小、不等很小、不等的直流电流。的直流电流。 两个输入电流的两个输入电流的平均值平均值 称为称为 偏置电流偏置电流 IB 差差 称为称为 输入失调电流输入失调电流 IIO 偏置电流、失调电流也随温度变化。偏置电流、失调电流也随温度变化。 3 3，共模抑制比，共模抑制比 差模信号差模信号 共模信号共模信号 4 4，饱和电压和电流，饱和电压和电流 实际饱和输出比正、负电源电压实际饱和输出比正、负电源电压小小1 12V2V。 （晶体管导通电压