实验五、集成运算放大器的非线性应用
集成运算放大器非线性运用
集成运算放大器非线性运用
为了便于进一步理解集成运放FAN400ATY在非线性运用下的工作状态，借三极管的饱和、截止状态来说明，非线性运用状态下的集成运放如同三极管工作在饱和、截止状态一样。
集成运放的非线惟运用主要说明下列4点。
虚短和虚断在分析线性运用的集成运放中经常用到，应深入理解这两种概念，灵活运用这两种概念去分析集成运放电路工作原理。
集成运放的同相输入端信号电压与反相输入端信号电压接近相等，同相输入端与反相输入端之间输入信号电压之差接近于零（不是等于零），两输入端不是真正意义上的短路，这时称为“虚短路”，简称“虚短”。
集成运放的同相输入端与反相输入端的输入信号电流接近相等，同相输入端与反相输入端之间输入信号电流之差接近于零（不是等于零），两输入端不是真正意义上的断路，这时称为“虚断路”，简称“虚断”。
(1)集成运放应用在非线性电路中时，集成运放本身不带负反馈，或者带有正反馈，这一点与在线性运用时明显的不同，依据这一点可以了解集成运放的运用状态。
(2)集成运放非线性运用状态下，集成运放输出量与输入量之间为非线性的，其输出端信号电压或为正饱和值，或为负饱和值。
(3)集成运放非线性运用状态下，虽然同相输入端和反相输入端上的信号电压不相等，由于集成运放的输入电阻很大，所以输入端的信号电流很小而接近于零，这样集成运放仍然具有虚断的特点。
(4)集成运放在非线性运用状态下，由于固相输入端和反相输入端上的信号电压大小不等，所以没有虚短的特点。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
图9-19(a)所示为过零比较器符号。 由于集成运放处于开环状态，uo与ui不再保持线性关系，而是将同相端电压 和反相端电压进行比较。 当u+>u-，即ui<0时，uo=+Uo(sat)。 当u+<u-，即ui>0时，uo=-Uo(sat)。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
一、过零比较器
集成运算放大器的非线性应用——比较器
三、滞回比较器（施密特触发器）
图9-21所示为滞回比较器的电路图和波形图。由于电路工作于正反馈状态， 所以电路的输出电压将为负饱和值或正饱和值，uo与ui不再保持线性关系。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
三、滞回比较器（施密特触发器）
输入电压ui经电阻R1加在集成运放的反相输入端，参考电压UR经电阻R2接在 同相输入端，此外，从输出端通过电阻Rf引回反馈，引入的反馈类型为电压串联 正反馈。因此，同相输入端的电压uP是由参考电压UR和输出电压Uo共同决定的， Uo有-Uo(sat)和+Uo(sat)两个状态。在输出电压发生翻转的瞬间，运放的两个输入 端的电压非常接近，即uN=uP。因此可用叠加原理来分析它的两个输入触发电平。
把两个门限电平的差值称为回差电压ΔUTH，即
集成运算放大器的非线性应用——比较器
三、滞回比较器（施密特触发器）
回差电压的存在，可大大提高电路 的抗干扰能力，避免了干扰和噪声信号 对电路的影响。消除干扰的原理如图922所示。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
四、窗口比较器
图9-23所示为窗口比较器，即电压比较器的基本输入信号。窗口比较器信号之间的关系见表9-1。
集成运算放大器 的非线性应用—
集成运放的非线性应用
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。
处于非线性状态运放的特点： 1. 虚短路不成立。 2. 输入电阻仍可以认为很大。 3. 输出电阻仍可以认为是0。
1.1、电压比较器
1. 过零比较器
ui
+
+ uo
+
+ uo ui
模拟电子技术
集成运放的非线性应用
非线性应用：是指由运放组成的电路处于非线性状 态，输出与输入的关系 uo=f( ui ) 是非线性函数。
由运放组成的非线性电路有以下三种情况：
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。
2. 电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非 线性元件（二极管、三极管、稳压管等）。
RF2 D RF1
ui>0时：
uo
RF1 R1
ui
ui
R1
+
A+
uo
ui<0时：
uo
RF1
// RF2 R1
ui
uo
传输特性
0
ui
3. 另一种情况，电路中的运放处于非线性状态，外 围电路也有非线性元件（二极管、三极管）。
由于处于线性与非线性状态的运放的分析 方法不同，所以分析电路前，首先确定运 放是否工作在线性区。
t
传输特性为：图b
-Uom
+Uom
−UT −Uom
当输出电压为+Uom时，同相端电压为
uo 0 UT
u
集成运放的非线性应用
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利用电压比较器将正弦波变 为方波。
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电压比较器的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上。图中，R´=R。
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1．什么是电压放大器？它与一般放大电路有何不同？ 2．过零比较器的参考电压有何特点？
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电子技术基础与技能
作用。
DZ为双向稳压管。R限流电阻一般取100 。
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（2）双向稳压管接于负反馈回路上。
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2. 电压比较器
比较器实际上是一个高增益、宽频带放大器，其符号与运放一样，见 图4-33。它与运放主要区别在于比较器的输出电压为两个离散值，通 常称为高低电平。此时运放处于开环状态。
比较器就是将一个模拟量的电压信号去和一个参考电压相比较，在二 者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变。通常用于越限报警、模数 转换和波形变换等场合。
比较器的反相输入端加有电压UR，输入电压加到比较器的同相输入端 ，由电压传输特性看到，当输入电压ui > UR（称为参数电压或门限电 压）时，uo = +Uom（高电平）；当ui< UR时，uo = - Uom（低电平）。
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若ui从反相端输入，当ui < UR时，uo = +Uom；当ui>UR时，uo = -Uom。
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过零比较器定义：当UR =0时。
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如下图所示，过零比较器输出端接双向稳压管。电压高电平UOM等于+UZ，输出 低电平-UZ。
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电子技术基础与技能
电子技术基础--第七章--集成运算放大器的线性应用和非线性应用
（五）反相积分运算电路
duC i 2 C dt
uC 0 uO
duo i2 C dt
u I 0 R1i1
i1 i2 0
du uI (C o ) 0 R1 dt
+VCC vI
（1）过零比较器
+ -
A -VEE
vO
可以认为
vI >0 时， vOmax = VOH= +VCC vI <0 时， vOmax = VOL=-VEE
（同相过零比较器）
vI =0 称为门限电压或阈值电压Vth
+VCC vI + A -VEE vO
输入为正负对称的正弦波 时，输出为方波。
2. 加法电路
实例1
vS2 vS1
i2 R2 i1
R1
if
iI
N P – +
Rf vO
根据虚短、虚断和N点的 KCL得：
vN vP 0
vS1 - v N vS2 - v N v N - v O R1 R2 Rf Rf Rf - vO vS1 vS 2 若 R1 R2 Rf 则有 - vO vS1 vS 2 R1 R2 （加法运算） 输出再接一级反相电路 可得 vO vS1 vS 2
（二）同相双门限电压比较器
VP Vi
R2 R1 VO 0 R1 R2 R1 R2
Vi R2 R1VO 0
R1 2 Vi VO VO R2 10
上限阈值电压： th 2 R1 VO 2 (6) 1.2V V
§4-5 集成运算放大器的非线性应用
一、电压比较器
集成运放工作在非线性区时，电路开环或引入了正反馈。
uP>uN时，uo=+Uom（高电平）
uP<uN时，uo=-Uom（低电平）
1、单门限电压比较器
电路开环，集成运放工作在非线性区。
ui>UR时，uo=-Uom
ui<UR时，uo=+Uom
门限电压为UR；因输入电压只跟一个参考电压UR进行比较，故此电路称为“单门限电压比较器”。若UR＝0过零电压比较器。
本节课主要介绍了集成运放的非线性运用，内容丰富，希望同学们做好课后复习工作。
习题册
授课日期
班级
授课课时
2
授课形式
新讲授
授课章节
名称
§4-5集成运算放大器的非线性应用
使用教具
教科书、教案、多媒体等
教学目的
1、了解集成运放的基本应用电路
2、掌握集成运放的非线性应用
教学重点
电压比较器
教学难点
电压比较器
更新、补
充、删节
内容
——
课外作业
习题册
教学后记
授课主要内容或板书设计
§4-5集成运算放大器的非线性应用
一、电压比较器
1、单门限电压比较器
2、双门限电压比较器
课堂教学安排
教学过程
主要教学内容及步骤
组织教学
复习旧知
导入新课
讲授新课
课堂练习
习题册
检查学生出勤情况，维持课堂秩序。
1.理想集成运放工作在线性区还是非线性区如何判断？
2.同相、反相比例运算放大器的电压放大倍数如何计算？
前面介绍了反相比例运算电路和同相比例运算电路，该电路中集成运放都工作在线性区，这时构成的电路称为线性应用电路，下面要介绍的信号运算电路都是属于线性应用电路，而电压比较器属于分线性应用电路。
集成运算放大器的非线性应用
2. 三角波信号发生器
T 4R1R4C
该电路的振荡周期
R2
三角波信号发生器由滞回比较器和反
向积分电路组成。
由叠加定理得：
uP
R2 R1 R2
uo
R1 R1 R2
uo1
设t 0 时，比较器输出电压 uo1 UZ ，
uc 0 ，uo uc 0 。此时，电容被充电，
uo从0开始线性下降，uP 也跟着下降，当下降到
UR也紧跟着变为负值，电容 C 开始通过 Rf 放电，而后
反向充电。当 uC充电到等于负值的 UR时，uo又从UZ
跳变到 UZ。如此周而复始，在输出端便得到一列
连续的方波信号。 该电路的振荡周期
T
2Rf C ln(1
空比为50%。要想得到 不同占空比的矩形波信号，只要使电容的充、放电回路不同，从而导致 充、放电的时间常数不等即可。
对应三角波的振荡周期，锯齿波 的振荡周期为
T 2(R R ') R1C
占空比为
R2
TH R 1 T R R ' 1 R '/ R
模拟电子技术
双向稳压管稳压值 。U电Z阻 的 作用R为限流。
（2）一般单限比较器
当 ui UR 时，输出uo Uom；当 ui UR 时，输出uo Uom ，其传输特性曲 线如图（b）所示。在一般单限比较器中，门限电压为UR 。
图中，输入信号加在同相端，称同相比较器。若信号加在反相端，参考电压加 在同相端，则称反相比较器。
比较器可以用来对输入波形进行变换和整形。例如可以将输入的正弦 波变换为矩形波，还可以将不规则的输入波形整形为方波信号。
【例6.3】如图6.28（a）为一般单限比较器，画出当输入如图6.28（b）所 示正弦波时的输出波形。
集成运放的非线性应用
图（a）是双列直插式AD790单集成电压比较 器的引脚图，图（b）为AD790的基本接法之一。
当我们假设输入电压从很大开始下降，此时输入电 压必然大于门限电压，那么输出电压将为-Uom，这时的 门限电压为下限门限电压UT-，一直到输入电压下降到 略小于UT-时，输出电压跳变为+Uom，随着输入电压的 继续下降，输出电压保持+Uom不变。迟滞比较器的电压 传输特性如图（b）所示。
1.2 非正弦波发生器
它的半个周期T/2可以通过三要素法进行计算： 既: 它的周期为
2．三角波发生器
三角波也是一种常用的非正弦波信号，在测 量等领域有很多的应用。
前级运放为一个迟滞发生器，后级为一个积 分电路。其原理同前面我们分析矩形波发生器 一样。如果想将三角波改为锯齿波，只需要改 变电容C的充放电时间即可。
3．集成电压比较器
模拟 电子 技术 基础
集成运放的非线性应用
1.1 比较器 1.2 非正弦波发生器
1.1 比较器
1．单限比较器
单限比较器是一种的简单的比较器，它是将 输入信号与某个固定的电压进行比较，由于只有 一个比较值，故称作单限比较器。
从图中可以看出，运放工作在开环状态，即工 作在饱和区：
当
时，
当
时，
我们把输出电压跳变时刻对应的输入电压称为 阈值电压或者门限电压，用UT表示。显然图（a） 的门限电压就是UREF。由其工作原理我们得到它 的电压传输特性如图（b）所示 。
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实 验 报 告
课程名称：
实验项目名称：集成运算放大器的非线性应用
专业：
报告人： 学号： 班级：
实验时间：
天津城建大学
控制与机械工程学院
一 实验目的：
1.学习电压比较器的基本工作原理与电路形式，深入理解其电路的功能和特点。
2.学习迟滞比较器传输特性的测试方法。
3.进一步掌握示波器的使用。
二 实验设备和器材：
1.示波器；2.低频信号发生器；3.直流稳压电源；
4.晶体管毫伏表；5.数字万用表；
三 实验原理(电路)：
电压比较器是一种能进行电压幅度比较和幅度鉴别的电路，它能够将输入信号与参考电压进行大
小比较，并用输出的高低电平来表示比较的结果。电压比较器的特点是电路中的集成运放工作在开环
或正反馈状态，输入和输出之间呈现非线性传输特性，这种电路能把输入的模拟信号转换为输出的脉
冲信号，它是一种模拟量到数字量的接口电路，常被应用于模数转换、自动控制和自动检测等技术领
域，以及波形产生和变换等场合。
(a) 过零比较器 (b) 电压传输特性
图1 过零比较器
(a) 反相滞回参考电路图 (b) 同相滞回参考电路
图2 滞回比较器
四 实验内容(表格)：
1.过零电压比较器
(1)按图1接线。将同相输入端接地，Ui悬空时，测试Uo电压。
(2)输入信号为有效值Ui = 1.0V， f = 500Hz的正弦波，用双踪示波器同时观察Ui及U0波形，并
描绘下来，将数据记入表格。
(3)改变Ui幅值，观察Uo变化。
2.反相迟滞电压比较器
(1)按图2（a）接线。R1=R2=10kΩ、R3=9.1kΩ、Rf=l00kΩ，VZ为2DW7。Ui接直流电源，测出
Uo由＋Uom→－Uom时的临界值。
(2)同上，测出Uo由－Uom→＋Uom时的临界值。
(3)输入信号为有效值Ui = 1V，f = 500Hz的正弦波。用双踪示波器同时观察Ui及Uo波形，并描
绘下来。
Ui Uo由＋Uom→－Uom Ui的临界值 Uo由－Uom→＋Uom Ui的临界值 Uo
波形
-2.5~2.5v直流 ---- -----------------------------
1v，500Hz
--------------------- --------------------------
3.同相迟滞电压比较器
(1)按图2（b）接线。Rl=10kΩ、R2=9.1kΩ、Rf=l00kΩ，VZ为2DW7。Ui接直流电源，测出U
o
由＋Uom→－Uom时的临界值。
(2)同上，测出Uo由－Uom→＋Uom时的临界值。
Ui Uo
波形
1.0v
0.5v
2v
(3)输入信号Ui为有效值Ui=1V，f=500Hz的正弦波。用双踪示波器同时观察Ui及Uo波形，并描
绘下来。
Ui Uo由＋Uom→－Uom Ui的临界值 Uo由－Uom→＋Uom Ui的临界值 Uo
波形
-2.5~2.5v直流 ------ ------------------------------
1v，500Hz
---------------------- -----------------------
五 实验思考题：
(1)画出两种滞回比较器的传输特性曲线。
(2)滞回比较器与单限比较器相比具有什么优点？
成绩评定：
指导教师签字：
年 月 日