运算放大器在波形变换中的应用
运算放大器的线性应用和非线性应用
充电
放电
++
Uo=Vz+ UDoN
31
(5)电容器端电压随时间变化规律为
32
二、设计过程
1、求R1和R2的值,可使F=0.47,则 T=2RC
图7-16
方波发生器
29
3、设计条件 (1)电源电压为:±9V (2)负载阻抗 RL=10KΩ
4、分析 (1)R、C作为积分电路,即:定时电路. (2)从电路结构看,它由一个迟滞比较器和RC充
放电电路组成.其中迟滞比较器作为状态记忆电 路,RC作为定时电路.
(3)电路的正反馈系数F为:
30
强调:
39
实验箱双电源的接法
40
四运放管脚图
TL084、LM324
41
运放的检测电路
当Uo=Ui1时，运放是好的。
42
T1.设计一个文氏桥正弦波振荡器
技术指标要求：
1、电路结构要求
2、电路指标 (1)f=1KHZ (2)UO=1V
3、设计条件 （1）电源电压为：±9V （2）负载电阻RL=10KΩ
16
五、反相加法器
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又因为 if=i1+i2+i3，则
18
六、同相相加器
19
实验三十六 运算放大器线性应用电路
J1.设计一个反相比例放大器 （一）设计技术指标 1）Au=20 2)Ri=1KΩ 3)Uopp≥1V （二）设计条件
1） Ec= ±9V
2) RL= 5.1KΩ
运放放大电路解析
运放放大电路解析运放放大电路是一种广泛应用于电子电路中的一种放大器。
它使用运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）来放大电压信号，是现代电子设备中常见的集成电路组件之一。
运放放大电路广泛应用于各种电子设备中，包括放大器、滤波器、比较器等。
运放放大电路的基本原理是将输入信号传递给运算放大器的非反馈端口（即输入端口），通过反馈电路将输出信号再次输入到运算放大器的反馈端口（即输出端口）。
通过适当的选择反馈电阻和电容，可以实现不同的放大效果和滤波特性。
运放放大电路可以分为多种类型，最常见的是非反馈放大电路和反馈放大电路。
非反馈放大电路是最简单的一种形式，它没有反馈回路，输出信号直接由输入信号放大得到。
非反馈放大电路主要包括共射放大电路、共基放大电路和共集放大电路等。
共射放大电路是一种常用的放大电路，它使用NPN型晶体管作为放大器，电压信号通过输入电容和输入电阻输入到基极，通过输出电容和输出电阻输出到负载。
共射放大电路具有较大的电压增益和输入阻抗，适用于需要较大放大倍数的应用。
共基放大电路是另一种常用的放大电路，它使用PNP型晶体管作为放大器，电压信号通过输入电容和输入电阻输入到发射极，通过输出电容和输出电阻输出到负载。
共基放大电路具有较大的电流增益和输入阻抗，适用于需要较大输入阻抗的应用。
共集放大电路是一种具有电压缓冲作用的放大电路，它使用NPN型晶体管作为放大器，电压信号通过输入电容和输入电阻输入到基极，通过输出电容和输出电阻输出到负载。
共集放大电路具有较大的电压增益和较小的输出阻抗，适用于需要大功率输出的应用。
反馈放大电路是一种常用的放大电路，它使用运算放大器作为放大器，通过适当的反馈电阻和电容来控制放大倍数和滤波特性。
反馈放大电路可以分为正反馈和负反馈两种类型。
正反馈放大电路是一种将一部分输出信号再次输入到输入端口的放大电路。
正反馈放大电路可以实现信号波形的变换和产生振荡信号等特殊功能。
运算放大器的应用方式
1. 电路中的运放处于非线性状态。
比如：运放开环应用
+
A +
uo
uo
运放电路中有正反馈，运放处于非线性状态。
电子技术 模拟电路部分
第五章
运算放大器的 应用
1
第五章 运放的应用
§5.1 运放的线性应用
5.1.1 运放工作在线性区时的特点 5.1.2 运放的线性应用
§5.2 运放的非线性应用
5.2.1 运放工作在非线性区时的特点 5.2.2 运放的非线性应用
2
§5.1 运放的线性应用
§5.1.1 运放工作在线性区时的特点
R2 uo (1 )ui R1
uo R2 Au 1 u1 R1
13
同相比例电路的特点： 1. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认 为是0，因此带负载能力强。 2. 由于串联负反馈的作用，输入电阻大。
3. 共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比 要求高。
14
（三）电压跟随器
_
ui
+
uo
结构特点：输出电压全 部引到反相输入端，信 号从同相端输入。电压 跟随器是同相比例运算 放大器的特例。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+
此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输 出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出 器相同，但是电压跟随性能好。
15
uo u u ui
二、 加减运算电路
作用：将若干个输入信号之和或之差按比 例放大。
比例运算电路与加减运算电路小结
1. 它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比 较小 。
集成电路运算放大器的线性应用
高开环增益
输入端几乎不吸收电流， 使得输入信号源不受负
载影响。
输出端具有很低的内阻， 可以驱动较大的负载。
无反馈时的电压放大倍数 极高，使得运算放大器具
有很高的放大能力。
高共模抑制比
对共模信号（两个输入端共 有的信号）有很强的抑制能
力，提高了抗干扰性能。
常见集成电路运算放大器类型
通用型运算放大器
高精度运算放大器
故障诊断与排除方法
01 02 03 04
当运算放大器出现故障时，首先检查电源和接地是否正常，排除电源 故障。
检查输入信号是否正常，以及输入电路是否存在短路或开路现象。
观察运算放大器的输出信号是否正常，如有异常则检查反馈电路和元 件是否损坏。
使用示波器等测试工具对运算放大器进行测试，进一步确定故障原因 并进行修复。
参考运算放大器的典型应 用电路，选择合适的外围 元件和参数。
应用注意事项与技巧
01 在使用运算放大器前，应对其进行充分的测 试和验证，确保其性能稳定可靠。
02
合理设计运算放大器的输入和输出电路，避 免引入不必要的噪声和失真。
03
注意运算放大器的电源和接地设计，确保电 源稳定且接地良好。
04
根据应用需求选择合适的反馈电路和元件， 以实现所需的放大倍数和带宽。
音频滤波器
通过配置运算放大器和外围元件，构成 各种滤波器，如低通、高通、带通等， 对音频信号进行频率选择和处理。
传感器信号调理电路
传感器信号放大电路
01
针对传感器输出的微弱信号，利用运算放大器进行放大，提高
信号的幅度和信噪比。
传感器信号滤波电路
02
去除传感器信号中的噪声和干扰，提取有用的信号成分，提高
在方波中集成运算放大器作用
在方波中集成运算放大器作用
方波是一种特殊的信号波形，它包含了频率相对较高的谐波成分。
集成运算放大器（简称运放）是一种集成电路，具有高输入阻抗、低输出阻抗和大增益的特点。
在方波中，集成运算放大器可以发挥以下作用：
1. 平滑波形，方波信号中包含了频率较高的谐波成分，集成运算放大器可以用作低通滤波器，通过合适的电路设计，滤除方波中的高频成分，使其变得更加平滑。
2. 信号整形，集成运算放大器可以将方波信号整形成其他需要的波形，比如正弦波或三角波。
通过合适的反馈电路设计，运放可以对方波信号进行形状调整。
3. 信号放大，集成运算放大器可以对方波信号进行放大，增加信号的幅度，以满足特定的应用需求。
4. 信号比较，运放可以用作比较器，将方波信号与参考电压进行比较，从而实现开关控制等功能。
总的来说，集成运算放大器在方波信号中可以发挥滤波、整形、放大和比较等作用，使得方波信号能够适应不同的应用场景。
实验四波形发生与变换电路设计
实验四波形发生与变换电路设计实验目的:1.了解波形发生电路的基本原理和设计方法。
2.了解电位器在波形发生电路中的应用。
3.掌握使用运算放大器实现波形发生电路的方法。
4.学会使用双稳态多谐振荡电路。
实验仪器:1.AD623全差动放大器芯片。
2.电位器。
3.电容器。
4.电阻器。
5.示波器。
6.功放芯片。
7.函数发生器。
8.蓝色草图记录纸。
实验原理:1.正弦波发生电路设计:正弦波发生电路是由运算放大器构成的，其主要由一个反相输入端，一个非反相输入端，以及一个输出端组成。
当输入端应用一定的正弦波信号时，通过运算放大器放大后，输出端可以得到相应的正弦波信号。
通过调节反相输入端和非反相输入端之间的电阻比例，可以改变输出端的幅度。
2.方波发生电路设计:方波发生电路是由运放和与运放相关的电阻、电容等元器件组成的。
电容的充放电过程可以实现方波的产生。
当电容放电时，输出端输出低电平，当电容充电时，输出端输出高电平。
通过改变电容的充放电时间和电压比例，可以改变输出端的频率和占空比。
3.三角波发生电路设计:三角波发生电路是由运放和与运放相关的电阻、电容等元器件组成的。
根据电容充放电的特性，可以通过改变电容充放电的时间常数，来实现产生三角波信号。
通过改变电容充放电的时间常数，可以改变输出端的频率。
实验步骤:1.正弦波发生电路设计:(2) 通过一个蓄电池连接 AD623 的 Vref 引脚来为芯片供电。
(3)将正弦波输入电压连接到AD623的非反相输入端。
(4)通过调节电位器的阻值，改变反相输入端和非反相输入端之间的电阻比例。
(5)连接示波器，观察并记录输出端的正弦波形状和幅度。
2.方波发生电路设计:(1)连接运放芯片。
(2)连接电位器，将其接入运放的非反相输入端。
(3)连接一个电容器。
(4)连接电阻器，用于调节电容充电和放电时间。
(5)连接示波器，观察并记录输出端的方波形状和频率。
3.三角波发生电路设计:(1)连接运放芯片。
运算放大器的作用
运算放大器的作用
运算放大器是一种电子装置，主要用于放大电路中的信号。
它可以增大输入信号的幅度，使其达到足够大的数值以便后续处理。
运算放大器通常由多个晶体管以及其他电子元件组成。
运算放大器在电子电路中有广泛的用途。
首先，它可以在放大器中起到放大输入信号的作用。
通过调节运算放大器的增益，可以将输入信号放大到所需的幅度。
这对于各种电子设备和系统中的信号处理过程非常重要。
其次，运算放大器在模拟计算器和模拟电脑中也是必不可少的部分。
它们可以进行各种数学运算，如加法、减法、乘法和除法，以及其他复杂的运算。
通过使用运算放大器，可以实现高精度和快速的模拟计算。
另外，运算放大器还可以用于信号滤波。
在许多电子设备中，可能会出现各种噪声和杂散信号，这会对正常的信号处理和识别造成干扰。
运算放大器可以通过滤除或衰减这些噪声信号，提高信号的质量和准确性。
此外，运算放大器还可以用于自动控制系统中的反馈机制。
通过将输出信号与期望信号进行比较，并通过运算放大器将误差信号放大到合适的幅度，可以实现对系统状态的监测和调节。
这种反馈控制可以提高系统的稳定性和精度。
总之，运算放大器在电子电路中起着至关重要的作用。
它们可以放大输入信号、进行模拟计算、滤波信号以及实现反馈控制。
这些功能使得运算放大器成为许多电子设备和系统中不可或缺的组成部分。
典型的运算放大器OP应用电路结构(精华版)
1.波形变换电路波形变换电路属非线性变换电路，其传输函数随输入信号的幅度、频率或相位而变，使输出信号波形不同于输入信号波形。
1.1 检波与绝对值电路1.1.1检波电路图1.1.1所示为线性检波电路及其传输特性。
电路中，把检波二极管D，接在反馈支路中，D2接在运放A输出端与电路输出端之间。
该电路能克服普通小信号二极管检波电路失真大，传输效率低及输入的检波信号需大于起始电压（约为0. 3 V的固有缺点，即使输入信号远小于0.3 V，也能进行线性检波，因而检波效率能大大地提高。
图1.1.1 线性检波电路及其传输特性线性检波电路的死区电压大小不决定于二极管的导通电压值，而是取决于D2正向压降VD的影响程度。
1.1.2绝对值电路绝对值电路又称为整流电路，其输出电压等于输入信号电压的绝对值，而与输入信号电压的极性无关。
采用绝对值电路能把双极性输入信号变成单极性信号。
在线性检波器的基础上，加一级加法器，让输入信号vi的另一极性电压不经检波，而直接送到加法器，与来自检波器的输出电压相加，便构成绝对值电路。
其原理电路如图1.1.2所示。
图1.1.2 绝对值电路输出电压值等于输入电压的绝对值，而且输出总是负电压。
若要输出正的绝对值电压，只需把图 1.1.2所示电路中的二极管D1、D2的正负极性对调。
1.2限幅电路限幅电路的功能是：当输入信号电压进入某一范围（限幅区）后，其输出信号电压不再跟随输入信号电压变化，或是改变了传输特性。
1.2.1串联限幅电路图 1.2.1所示为简单串联限幅电路及其传输特性。
起限幅控制作用的二极管D 与运放A输入端串联，参考电压（-VR）作D的反偏电压，以控制限幅器的限幅门限电压Vth。
图1.2.1 串联限幅电路及其传输特性改变士VR的数值和改变R1与R2的比值，均可以改变门限电压。
1.2.2并联限幅电路图1.2.2所示为并联限幅电路及其传输特性。
二极管D与运放A输入端呈并联关系。
图1.2.2 并联限幅电路及其传输特性1.2.2稳压管双向限幅电路图1.2.3所示为稳压管构成的双向限幅电路和电路传输特性。
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运算放大器在波形变换中的应用一、实验目的1、给定一个电路，学会如何分析，并由此设计所需要的电路2、学会EDA仿真3、基于面包板的现实的电路调试，实际情况与EDA仿真结果比有一定出入4、学习运算放大器在三角波、方波等波形变换中的应用二、实验原理及电路分析1、了解用途产生三角波和方波·VO1输出三角波·VO2输出方波2、找出通路从左到右3、化整为零-定性分析二极管和稳压管起限幅作用，稳压管使运放输出限制在稳压管工作电压，将二极管开路，等效电路为：分为：积分电路，两个比较电平的产生和比较器三部分电路所组成。
4、分析功能a、比较电路图中，比较器输出端电压V O与输入端电压满足以下关系：V O=K（V+-V-）其中，K为开环放大倍数，通常大于10dB。
当V+＞V-时，V O＞0；当V+＜V-时，V O＜0。
电路中输入+端接地，V+=0，所以V-＞0，V O＜0；V-＜0，V O＞0。
因此，当V-在V+附近波动时，输出电压V O将在正负电源电压间跳变。
b、积分电路∑点为虚地点。
可得：I I=I II I I=−I II IIII I=I III末=II初=1−II∫I II2I1II当V i为常数时，I I(I2)=−1III I(I2−I1)+I I(I1)由此可见，V O是时间的线性函数，当Vi为正电压时，Vo线性减小；当Vi为负电压时，VO 线性增加。
因此，如Vi为正负绝对值相等的矩形波电压且维持时间t恰当（不至于使运算放大器输出饱和），积分电路输出波形为三角形电压。
c、两个比较信号电平的确定（V O1经R2，V O2经R3）V O1是积分电路输出的三角波形电压，V O2是第三个运算放大器输出的矩形波电压。
当V O2施加不变的电压时，V O1施加的是线性变化的三角波电压。
因此V-存在两个不同的过零电压。
计算得：I−=I I1∗I3+I I2∗I2I2+I3考虑一般性，V O2输出的正电平为Vp，负电平为-V N，则V-过零时刻，V O1两个电平为：V I1=−I2I3I I I I1=+I2I3I I则，实验各点波形为：d、振荡频率和周期在t0＜t＜t1经过分压，积分电路的输入电压Vi为-αV N（这里的α为分压比，调节W1电位器，可改变α），两个比较电平对应积分电路中的初末电压。
可得：I2 I3I I=αI1I1I I I1−I2I3I I从而可得：I1=I2I3（I I+I I）I1I1II I同理，在t1＜t＜t2时间积分电路的输入电压Vi为αV P，两个比较电电平仍对应积分电路中的初末电压。
可得：I2=I2I3（I I+I I）I1I1II I所以，T1+T2即为三角波的周期化简得：I2 I3I1I1α(V I+I I)2I I I I可得：1、若V P不等于V N，则T1不等于T2，V O1输出为锯齿波，V O2输出为矩形波；2、若V P等于V N，则T1等于T2，V O1输出为三角波，V O2输出为方波；3、三角波和方波的周期为：T=4I2I3I1I1I4、当R2=R3时，周期和频率为：T=4I1I1I，f=I4I1I15、若输出电压V O2被钳制在不同的正负电压值时，可改变输出波形占空比，即V O1将输出锯齿波，而V O2将输出矩形波。
5、通观整体6、性能估算·设计指标三角波和方波的频率围0.5KHz—2KHz输出幅度为±6VA、根据输出幅度要求D3、D4可取5V1稳压二极管；取R2=R3，使三角波输出最大电压为5.1V，最小电压为－5.1V；D1、D2可取快速二极管1N4148。
B、根据频率围要求f=I4I1I1取α=1时f=2kHz,若C1取0.01μF，则R1=12kΩ；当f=500Hz，C1=0.01μF，R1=12kΩ时，α=0.25；因此可选W1>3kΩ，R4=1kΩ。
选R2=R3=1kΩ三、μA7411、特性·短路电流保护·电压调零能力·大围的差模和共模输入电压·低电源消耗·无闩锁效应2、最大额定值3、电气参数（除特别指出，均在在25°C自然温度，VCC=±15V）（除特别指出，均在开环下，零共模输入）四、实验步骤1、在面包板上按实验原理图，连接电源和信号路线（器件要平铺在面包板上，不能立交状）2、不带电测试：利用万能表二极管档位，测试全线路的通断状况3、接通电源，手感应关键器件（μA741）的温度，如果有发烫，则断电检查线路4、若器件工作正常，则用万用表测量电源和典型节点的电压5、接通示波器，观察输出波形，记录数据五、实验结果与数据分析这次试验较为顺利，在连接好电路之后，经过不带电测试和手感应温度测试，期间均工作正常、接通示波器后，屏幕上出现理想的三角波和方波波形。
通过调整电位器的分压比，观察三角波和方波的极限工作围。
经测试，波形的频率在458.7Hz到1.96kHz之间。
三角波的最小值为-6V，最大值为6.6V；方波电压的最小值为-5.8V，最大值为6.2V。
基本符合设计的要求。
记录了几个典型波形如图：稳压管的稳压值为 5.1V，但是稳压管正向导通的时候也存在一定的压降，所以方波电压的峰峰值略大于5.1V。
达到6V左右。
而三角波电压在与方波电压进行比较的时候，由于集成运放作为比较器使用的时候，需要有一定的压降，所以三角波形的峰峰值略大于方波电压的峰峰值。
而通过调节电位器所能达到的频率值也基本与计算值相同，符合预期。
六、实验结论与体会集成运放在输出三角波和方波的方面性能比较好，波形稳定，通过选取不同的稳压管，电阻和电容，可以将输出电压钳制在一定围；可以改变时间常数来改变三角波和方波的周期；可以通过改变方波正向和反向不同的时间常数改变占空比；可以通过串联不同的稳压管改变幅值，同时间接改变占空比。
原理简单，电路清楚，扩展广泛，是一个很好的选择。
七、作业题分析、设计电路并EDA仿真：1、使得V02的输出电压幅值可变（V P和V N分别可变）2、使得电路的占空比可变3、频率围提高到200kHz答：V O2的输出电压值VP，VN简单的方法是可以选用不同稳压值的稳压管，通过不同的连接方式配合单刀多掷开关，来达到不同的VP和VN的值，但是此种方法得到的值固定不连续，且需要很多的稳压管。
所以选择了另外一种方法，通过两个二极管来筛选出方波的正负两个幅值，输入到正向可调比例的运放中。
正向可调比例的运放电路借鉴于21Ic网。
原理如图：其中，Ui为输入信号，经过R1和RP连接地，在运放的正段得到第一次的缩小信号，之后经过R和RF同向比例放大电路，得到放大的信号UO，经过比例均可调的一次缩小和一次放大，最终信号的缩小和放大均可达成。
Multisim模拟中，将R1和Rp；R和Rf由电位器替代，只需调整两个电位器的比例值，即可得到各种比例。
两个幅值各接到一个可调比例正向运放电路中，通过两个电阻使信号不直接短路，接到原电路的位置。
这一过程由于经过两个电阻，信号有一定的缩小，三角波的电压幅值，也与方波幅值的比例发生一定的变化，不再满足原来的关系式。
同时，通过前边对振荡周期的讨论，VP和VN的不同时改变也会间接改变占空比。
但想要得到占空比可变的电路，显然是不能通过此实现的，应该通过改变方波正反向电压的时间常数实现。
所以在积分电路的输入端，仍然通过两个二极管，来筛选出方波的正负幅值，原电路的RC中，R=12KΩ，所以仍然通过一个12KΩ的电位器，连接筛选出的正负幅值后，输入到积分器，这样，在不改变周期的基础下，改变正负不同电压的时间常数，达到改变占空比的目的。
实际电路如图：U1,U2,U3为原电路的三个运放，U4,U5为改变方波幅值的两个同向可改变比例运放电路，D5，D6以及电位器R5起到改变波形占空比的作用。
此时，示波器波形如图：仅改变R5比例后的示波器图形：仅调整U4连接的电位器阻值比值后的波形（改变方波最高电压）：仅调整U5连接的电位器阻值比值后的波形（改变方波最低电压）：这些改变可以同时发生。
满足了作业中1和2的条件。
而想使波频率可以达到200kHz，在调整RC的值时，由于方波的上升和下降均需要一定的时间，所以当频率达到5kHz时，方波有很明显的失真，同时频率也存在一定的上限，大概在10kHz左右。
所以需要选用频率更高的运放和二极管等。
但是在选用了LM318JB时，情况仍没有很好的改变。
通过查找，又找到了更高速的运放，LF356AH，将R=1.2kΩ，C1=1nF，但是仍没有得到200kHZ，得到了135kHz的方波。
最后找到了LT1395CS5, R=1.2kΩ，C1=1nF 得到了较为完美的200kHz的方波。
波形如图：。