集成运放的非线性应用

1、第六章 集成运算放大器的非线性应用,6.1 运放非线性应用的条件和分析特点,6.2 电压比较电路,6.3 非正弦波形发生电路,单限电压比较器,滞回电压比较器,矩形波发生电路,三角波发生电路,锯齿波发生电路,运放非线性应用的条件与特点（1）,在图示运放电路中，有 uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui,其传输特性如图所示,线性区,非性区,非性区,结论：在开环与正反馈条件下，运放工作在非线性区。,运放工作在非线性状态的条件,运放非线性应用的条件与特点（2）,运放工作在非线性状态下的两个特点,设+UOM与-UOM为运放输出的正、负最大值 ，有,uo=,+UOM 当u+u-,-UOM 当u+u-,

2、虚接跳变,设I+与I-为运放同相与反相端的输入电流 ，因为对于理想运放有rid=，所以,I+=I-=0,虚断,end,单限电压比较器（1）,电压比较器的功能：,利用输出信号的变化，比较两个电压的大小,参考电压,比较信号电压,输出电压,=,+UOM,-UOM,电压比较器的阈值：,指ui与UR比较时，使输出发生跳变时的ui值。,电压比较器的分类：,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器,三态比较器,单限电压比较器（2）,过零电压比较器,结构特点：,运放工作于开环状态,参考电压UR=0,UR=0,分析方法：,第一步：,由运放非线性工作特点，有,uo=,+UOM 当u+u-,-UOM 当u+u-,第二步：

3、,由电路求u+与u-,对图示电路，有u+=ui 、u-=0,第三步：,求阈值，得出比较器的传输特性,因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=0，所以,Uth=ui=0,比较器的传输特性,uo=,+UOM 当ui0,-UOM 当ui0,单限电压比较器（3）,过零电压比较器可将正弦波变换为矩形波,ui0,uo=UOM,ui0,uo=-UOM,+ UOM,- UOM,单限电压比较器（4）,传输特性,uo=,+UZ 当ui0,-UZ 当ui0,R有何作用？,带限幅的过零电压比较器,R =R,带限幅的过零电压比较器,单限电压比较器（5）,单限电压比较器（6）,任意电压比较器,结构特点：,运放工作于开环

4、状态,参考电压UR0,UR0,分析方法：,第一步：,由运放非线性工作特点，有,uo=,+UZ 当u+u-,-UZ 当u+u-,第二步：,由电路求u+与u-,对图示电路，有u+=UR、u-= ui,第三步：,求阈值，得出比较器的传输特性,因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=UR，所以,Uth=ui=UR,比较器的传输特性,uo=,-UZ 当uiUR,+UZ 当uiUR,单限电压比较器（7）,改变参考电压，可实现占空比可调的矩形波,uiUR,uo=UZ,uiUR,uo=-UZ,UR,uiUR,uo=UZ,+UZ,-UZ,单限电压比较器（8）,例：有一电压比较器如图所示，试求阈值电压、并作传输

5、特性。,解：,（1）,由非线性工作特点，有,uo=,+UZ 当u+u-,-UZ 当u+u-,（2）,由电路求u+与u-,对图示电路，有 u+=0,（3）,求阈值，得出比较器的传输特性,因为当u+=u-时输出发生跳变，此时: 1.5+0.5ui=0，所以,Uth=ui=-3V,单限电压比较器（9）,end,比较器的传输特性,uo=,-UZ 当ui-3V,+UZ 当ui-3V,Uth=ui=-3V,当ui -3V时,当ui -3V时,滞回电压比较器（1）,单限电压比较器电路结构简单、灵敏度高，但抗干扰能力较差。,优点,缺点,干扰引起系统误动作,采用滞回比较器,滞回电压比较器（2）,反相滞回比较器,

6、结构特点：,运放工作于正反馈状态,比较信号加入反向输入端,分析过程：,第一步：,由运放非线性工作特点，有,uo=,+UOM 当u+u-,-UOM 当u+u-,第二步：,由电路求u+与u-,(1) 对图示电路，有 u-=ui,(2) 用叠加原理求u+,uo单独作用,UR单独作用,注意：对于不同的输出值，U+有两个取值,滞回电压比较器（3）,第三步：,求阈值,因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=Uth，所以,当uo=+UOM时， u+1=u-=ui=Uth1，即,当uo=-UOM时， u+2=u-=ui=Uth2，即,注意：Uth1Uth2,滞回电压比较器（4）,第四步：,分析传输特性,（1

7、）ui由-逐渐增大,ui=-时，uo=+UOM，阈值为Uth1,-uiUth1时，uo=+UOM,ui=Uth1时，跳变，uo=-UOM,uiUth1时，uo=-UOM，阈值为Uth2,Uth1,+UOM,-UOM,（2）ui由+逐渐减小,ui=+时，uo=-UOM，阈值为Uth2,Uth2ui+时，uo=-UOM,ui=Uth2时，跳变，uo=+UOM,uiUth2时，uo=+UOM，阈值为Uth1,Uth2,定义：回差电压 uth=Uth1-Uth2,滞回电压比较器（5）,0,t,uo,回差电压越大，比较器抗干扰能力越强。,Uth1,Uth2,+UOM,-UOM,只要干扰大小在回差以内，电

8、路不受影响,滞回电压比较器（6）,同相滞回比较器,结构特点：,运放工作于正反馈状态,比较信号加入同相输入端,(1) 阈值计算,对图示电路，有 u-=UR,用叠加原理求u+,uo单独作用,ui单独作用,注意：对于不同的输出值，U+有两个取值,滞回电压比较器（7）,当uo=-UZ时， u+1=u-=UR、Uth=ui，即,所以,当uo=+UZ时， u+2=u-=UR、Uth=ui，即,所以,滞回电压比较器（8）,(2) 分析传输特性,ui由-逐渐增大,ui=-时，uo=-UZ，阈值为Uth1,-uiUth1时，uo=-UZ,ui=Uth1时，跳变，uo=+UZ,uiUth1时，uo=+UZ，阈值为

9、Uth2,Uth1,+UZ,-UZ,（2）ui由+逐渐减小,ui=+时，uo=+UZ，阈值为Uth2,Uth2ui+时，uo=+UZ,ui=Uth2时，跳变，uo=-UZ,uiUth2时，uo=-UZ，阈值为Uth1,Uth2,例：R1=10k，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。,滞回电压比较器（9）,解：,end,滞回电压比较器（10）,矩形波发生电路(1),一、电路结构:,滞回比较器 + R1C负反馈网络,二、工作原理:,（1）阈值电压计算：,（2）波形发生过程分析：,1. 设 uo = + UZ ,此时，输出给C 充电!,则

10、：u+=Uth1,一旦 uc Uth1 , 就有 u- u+ ,在 uc Uth1 时，,u- u+ ;,uo 保持 + UZ 不变；,uo 立即由UZ 变成UZ,矩形波发生电路(2),此时，C 经输出端放电。,2. 当uo = -UZ时，,u+=Uth2,uc降到Uth2时，uo上翻。,矩形波发生电路(3),0,输出波形：,矩形波发生电路(4),矩形波发生电路(5),矩形波发生器各部分的作用：,RC电路：起反馈和延迟作用，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。,滞回比较器：起开关作用， 实现高低电平的转换。,三、周期与频率的计算,f=1/T,uc上升阶段表示式:,uc下降阶段表示式:,矩形波发生电路(6),end,三角波发生电路(1),电路一：方波发生器 方波积分电路三角波,此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。,uo,三角波的周期由矩形波发生器确定，其幅值也由周期T和参数R、C决定。,三角波发生电路(2),三角波发生电路(3),电路二：,特点：由滞回比较器和反相积分器级联构成，滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反相