集成运放的非线性应用
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
17
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
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
基于Protues的集成运放非线性应用仿真
是 由一个同相 比较器 和一个反 相 比较 器组 合而 成。该 电路 的功能是 ， 以判 断输 入 电压 的值 是否介 于下参 考 电压 可 之 间 （ 谓 的窗 ） 所 。如 果 Ｖ Ｌ＜ ＜ Ｒ Ｌ 与上 参考 电压 Ｈ 窗 比较器的输出电压值 为 ０ 如果输 入 电压 ＜ Ｌ ， 或 Ｈ ，
摘 要： 集成运算放 大器是 电子 系统 中最重要 的模拟器件。它的应 用主要分为 线性 应用和非线性应 用。在 非
线性应用 中， 算放 大器构成 的单 门限电压 比较器 、 比较 器是构成矩形波、 运 迟滞 三角波和锯齿 波等信号产生 电路 的
核心模块 。在此主要讨论利 用 Ｐ ｔｅ 平 台对集成运放 的非线性应 用设计及仿真。 ￣ ｕｓ 关键词 ：ｍｔｅ；集成运放 ；非线性应用 ；仿 真 Ｐ ｕｓ 中图 分 类 号 ：Ｎ １ 文献 标 识 码 ： Ｔ ７０ Ａ
集成运算放大器 （ 简称 运放 ， ｔ￣ａ ｄｏｅ ｉ ￣ ａ ｐ － ｉ ｅ ｔ ｐｍｔ ｎ ｍ ａ ｎ ｅ ｏ ｉ ， Ｐ 是一种 高增益 多级直 接耦合 放大 器 ， 内部结构 ｔ ｒＯ Ａ） ｅ 其
如 图 １ 示 所 ”。
＞Ｖ Ｈ 则输 出电压 将等于运放 的饱 和输 出 电压 ＋ Ａ Ｒ， Ｔ （＋ Ａ 比 ＋Ｖｃ １４Ｖ左右） Ｔ ｅ小 ． 。可以用发光二极管判别窗 比较器的输 出电平。窗 比较器广泛 用于信号 的电平监 测与 报警 。
收 稿 日期 ：０ ２— ７—１ ２１ ０ ６
糍 ．
Ｒ２ＶＯ Ｌ
．
下 门 限 电压 为 ：
＋
（） ２
作 者简介 ： 昌华（ ９２ ） 男 ， 张 １６ ． ， 湖北恩施人 ， 副教授 ， 硕士 ， 究方向 ： 研 电力电子技术及 电子 系统设计。 杨 庆 （９ ９ ） 男 ， １５ ． ， 湖北恩施人 ， 副教授 ， 硕士 ， 究方向 ： 研 电子 系统设计及仿真 。
集成运算放大器的 非线性应用实验讲解
1 过零电压比较器
当ui<0时,uo=+(UZ3;UD)
用示波器测量观 察信号的波形
741
用信号发生器 产生1000HZ,2V 的正弦信号
2 迟滞电压比较器
当uo为正 时,VA=U+R2/(R2+Rf)
当ui>VA后,uo由正变负, 此时VA变为-VA.
-5v
3 方波发生器
用示波器观察Uo和Uc的 波形.故测Uo的频率 将Rf2换为30千欧的电阻, 重复以上步骤
步骤一
ui接-5V~+5V直流电压,用万用表直流电压档测uo
步骤二 调节ui,测出由正向饱 和输出电压向反相饱和输出电 压&由反向饱和输出电压向正相 -5v 饱和输出电压过渡的临界值 步骤三 将Rf由100千欧换成 200千欧,重复以上步骤 步骤四 ui接1000Hz,幅值2V 的正弦信号,用示波器观察ui u0波形
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
i1 i f 0
u O (1
Rf R1
)u i
u I 0 R1i1
uI i2 i1 R1
i1
uI R1
0 u M R2 i2
u M R2 i 2 R2 uI R1
0 u M R3i3
减法器的输出电压为两个输入信号之差乘以放大系数 Rf/R1, 故又称它为差分放大器。 为减小失调误差 R1//Rf=R2//R3
（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
vI T
（同相过零比较器）
O
2
3
4
t
电压传输特性
vO
vO VOH
VOH O t
O VOL
vI
VOL
思考
1.若过零比较器如图所示，则它 的电压传输特性将是怎样的？ 2.输入为正负对称的正弦波时， 输出波形是怎样的？
+VCC vI + A -VEE vO
vI T 2
+VCC vI + A -VEE vO
具体电路的工作原理，其它问题也就迎刃而解了。
比例运算电路 加法电路
减法电路 积分电路
微分电路
一、运算电路
• （一）反相比例运算电路 • （二）同相比例运算电路
（一）反相比例运算电路
i1 i f 0
u N uo R f i f
if u N uO u O Rf Rf
集成运放的非线性失真分析及电路应用
集成运放的非线性失真分析及电路应用0 引言运算放大器广泛应用在各种电路中，不仅可以实现加法和乘法等线性运算电路功能，而且还能构成限幅电路和函数发生电路等非线性电路，不同的连接方式就能实现不同的电路功能。
集成运放将运算放大器和一些外围电路集成在一块硅片上，组合成了具有特定功能的电子电路。
集成运放体积小，使用方便灵活，适合应用在移动通信和数码产品等便携设备中。
线性特性是考查具有放大功能的集成运放和接收射频前端电路的一个重要参数，并且线性范围对集成运放的连接方式也有很大影响。
集成运放的线性范围太小，就会造成输出信号产生多次谐波和较大的谐波功率，严重地影响整个电路的功能。
基于集成运放的非线性分析，可以发现造成电路非线性失真的原因，并且在不改变电路设计的前提下，通过改变集成运放的连接方式，达到实现集成运放正常工作的目的。
本文设计优化的集成运放电路应用于定位系统射频前端电路，完成对基带扫频信号的放大输出，能有效抑制了集成运放谐波的产生，实现射频接收前端电路的高增益，提高对后端电路设计部分的驱动能力。
l 差分电路的接入方法和集成运放的非线性参数通用集成运放电路由：偏置电路、输入级、中间级和输出级等组成。
其输入级部分由差分电路构成。
差分电路有双端输入和单端输入两种信号输入方法；偏置电路可以采用单电源和双电源两种供电方式。
在移动通信或便携设备中，一般采用单电源供电方式，单电源供电的集成运放要求输入信号采用单极性形式，即输入信号始终是正值或是负值，差分输入级可以用来保证输入中间级电路的信号极性，同时差分输入级放大电路可以有效抑制共模信号，增强集成运放的共模抑制比。
但是，当共模输入信号较大时，差分对管就会进入非线性工作状态，放大器将失去共模抑制能力，严重影响到集成运放的共模抑制比。
集成运放的非线性特性参数除了最大共模输入。
模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性解析与应用
模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性解析与应用模拟电子技术中的运算放大器是一种重要的电子元件，广泛应用于信号处理、滤波、运算和放大等领域。
运算放大器被设计为线性的电路，但在实际应用中，其非线性特性常常会对电路性能产生影响。
本文将对运算放大器的非线性特性进行解析，并探讨其在实际应用中的重要性。
1. 非线性特性的定义和分类非线性特性指的是电路输出与输入信号不成比例的关系。
在运算放大器中，这种非线性特性通常体现为失真、交叉耦合和非线性增益等现象。
2. 失真失真是指运算放大器输出信号中含有不同于输入信号的频谱成分。
主要的失真形式包括谐波失真、交调失真和互调失真等。
谐波失真是输出信号中含有输入信号频率的整数倍频率成分；交调失真是输出信号中含有输入信号频率之间的交叉成分；互调失真则是当输入信号有多个频率时，输出信号中含有两个或多个频率之间的非线性交叉成分。
3. 交叉耦合交叉耦合是指在运算放大器中，当输入信号的一个分量变化时，会影响到其他分量的输出。
这种非线性耦合效应会导致输出信号中出现与输入信号成分无关的非线性成分，从而改变电路的运算性能。
4. 非线性增益非线性增益是指运算放大器在不同输入信号幅度下的输出增益不一致性。
在理想的运算放大器中，输出信号应该与输入信号成比例，但由于非线性特性的存在，输出信号的增益并不是恒定的。
这种非线性增益会导致信号失真，并降低电路的工作精度。
5. 非线性特性的应用尽管非线性特性会对电路性能产生影响，但在某些应用场景下，非线性特性也是被利用的。
例如，压限放大器（limiter amplifier）就是一种利用非线性特性的运算放大器，它被广泛应用于无线通信中用于抑制干扰信号、防止过载和保护接收机等方面。
6. 技术手段与解决方案为了解决运算放大器的非线性特性问题，工程师们提出了许多技术手段和解决方案。
例如，通过合理的设计，可以采用负反馈手段来补偿非线性特性，使得输出信号更加稳定和准确。
【电工学期末考试习题】第12章 集成运算放大器 习题参考答案
第12章 集成运算放大器 习题参考答案一、填空题：1. 理想运放同相输入端和反相输入端的“虚短”指的是 同相输入端与反相输入端两点电位相等，在没有短接的情况下出现相当于短接时的现象。
2. 将放大器 输出信号 的全部或部分通过某种方式回送到输入端，这部分信号叫做 反馈 信号。
使放大器净输入信号减小，放大倍数也减小的反馈，称为 负 反馈；使放大器净输入信号增加，放大倍数也增加的反馈，称为 正 反馈。
放大电路中常用的负反馈类型有 并联电压 负反馈、 串联电压 负反馈、 并联电流 负反馈和 串联电流 负反馈。
3. 若要集成运放工作在线性区，则必须在电路中引入 负 反馈；若要集成运放工作在非线性区，则必须在电路中引入 开环 或者 正 反馈。
集成运放工作在线性区的特点是 输入电流 等于零和 输出电阻 等于零；工作在非线性区的特点：一是输出电压只具有 高电平、低电平两种稳定 状态和净输入电流等于 零 ；在运算放大器电路中，集成运放工作在 线性 区，电压比较器集成运放工作在 非线性 区。
4. 集成运放有两个输入端，称为 同相 输入端和 反相 输入端，相应有 同相输入 、 反相输入 和 双端输入 三种输入方式。
5. 放大电路为稳定静态工作点，应该引入 直流 负反馈；为提高电路的输入电阻，应该引入 串联 负反馈；为了稳定输出电压，应该引入 电压 负反馈。
6. 理想运算放大器工作在线性区时有两个重要特点是“虚短”和 “虚断” 。
三、选择题：（每小题2分，共16分）1.集成运算放大器能处理（ C ）。
A 、直流信号；B 、交流信号；C 、交流信号和直流信号。
2. 为使电路输入电阻高、输出电阻低，应引入（ A ）。
A 、电压串联负反馈；B 、电压并联负反馈；C 、电流串联负反馈；D 电流并联负反馈。
3. 在由运放组成的电路中，运放工作在非线性状态的电路是（ D ）。
A 、反相放大器；B 、差值放大器；C 、有源滤波器；D 、电压比较器。
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i i 0; u 0;
在线性区， u+= u-。
（1）ui 0 : 假设稳压管截止 uO U L UOM ,
必使右管击穿，左管导通，“-”端虚地， uO UZ
（2）ui 0 : 假设稳压管截止 uO UOH UOM ,
必使左管击穿，右管导通，“-”端虚地， uO U Z
可见，虽然运放工作在线性区，但由于稳压管的特性，使之 仍然具有电压比较器的特性。
二、理想运放的参数
AOd rid rO KCMR IIB IIO UIO BW 零点漂移
0 0 0 0 0
三、理想运放工作在线性区和非线性区的特点：
1、线性区：（必须要在电路中引入深度负反馈）
虚断和虚短： i i 0; u u;
2、非线性区：（运放工作在开环状态或引入正反馈）
虚断： i i 0
通带
O
w2
w
A A0
阻带
通带 阻带
O
w2 w1
w
A A0
通带
阻带 通带
O
w1 w2
w
？希望抑制50Hz的干扰信号，应选用哪种类型的滤波电路？ ？放大音频信号，应选用哪种类型的滤波电路？
uo1
ui
R1
u
uo
RC
H (s) uo (s) uo (s) u (s) ui (s) u (s) ui (s)
电压传输特性
R
ui
R'
限流电阻
- R0 uO +
uO
U+OUHZ
ui 0
根据虚断： i i 0
-UUOZL
u 0; u ui ;
ui 0 : u u uO UOL UZ
ui 0 : u u uO UOH UZ
阈值电压：UTH 0
3、同相过零比较器
电压传输特性
R'
-
ui ui
R1R1
uu RC RC
一阶有源高通滤波器 :
H(s)
Auf
1 1 / sRC
1
uouo
H ( jw ) Auf f L 2RC
1 j fL
f
H (s) uo (s) uo (s) u (s) ui (s) u (s) ui (s)
Auf
uo (s) 1 u (s)
滤波器的功能是使所需特定频率范围内的信号能够 顺利通过，而阻止其它频率范围的信号通过。被广泛应 用于通信和信号处理等领域。
•有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。
滤波器分类：
•低通（LPF） •高通（HPF） •带通（BPF） •带阻（BEF） •全通（APF）
A1 A0
通带
阻带
O
w1
w
A2 A0
阻带
+ u
Rf R2 Rf
UR
R2 R2 Rf
UO
+UZ -UZ
ui 很小时，输出 UO UZ ;
ui 很大时，输出 UO UZ;
当u u时，电路状态发生跳变，
ui由正小向增阈大，使uO从+UZ跳变为-UZ负所向需阈的阈值电压为UTH+：
ui由值大电变压小，使uO从-UZ 跳变为+U值Z所电需压的阈值电压为UTH-：
UR
R2 Rf
UZ;
UR
if
R2
uO
+URfZ
+
R0
uO
ui RU1TH- -0
UTH+ ui
反相迟滞比-较UZ器
传输特性（反相）
UTH
Ruf O R2 Rf
U+RUZ
R2
R2 R
f
UZ;
UTH
UTHR- f 0 R2 Rf
UR
-UZ
URTH2 + R2 Rf
uUi Z ;
传输特性（同相）
+ ui R
RO uO
根uu据i 虚R0断;：-+iuiRu0i ;0 uO ui R'0 : u u uO U Z
ui 0 : u u uO U Z
uO +UZ
ui 0 -UZ
uO UZ
ui 0
-UZ
反相过零比较器
二、单限比较器
1、反相单限比较器
电压传输特性
ui R
-
RO uO
ui 0 UR2 UR1
四、窗口比较器
UR1 R - uO1
+
R
uO
ui R
uO2
+
-
RL
UR2 R
输入信号
ui>UR2 >UR1 ui<UR1 <UR2 UR1 <ui<UR2
uO1 UOH UOL UOH
uO2 uO UOL UOH UOH UOH UOH UOH
要 求U R1 U R2 如 果U R1 U R2
（2）输出的高、低电平： 决定于限幅电路。
（3）输出电压的跃变方向： 决定于ui作用于运放的哪个输入端。
【例题】电路如图示，输入为正弦信号，画出输出信号波形。
ui R
-
RO uO
ui/V 10
6V
+ URR '
t 0
已知： UR= 6V
uO
+UZ uO
+UZ 0
t
ui
0 UR
-UZ
-UZ
【例题】电路如图示，输入为正弦信号，画出输出信号波形。
ui
单限比较器
门限电压
迟滞比较器 ui
uO0 +UZ
t
uO0
+UZ
UTH+
UTHt
0
t
0
t
-UZ 迟滞比较器可用于产uO生矩形波-U、Z三角波和锯齿波等各种非 正弦波信号，也可用于波形+变UZ换电路。
迟滞比较器用于控制系统时的主要优点是抗干扰能力强，但 与单限比较器相比灵敏U度TH下- 0降了U。TH+ui
1、反相过零比较器
R
ui
+
uO
R'
根据虚断： i i 0
u 0; u ui ; ui 0 : u u uO UOL ui 0 : u u uO UOH
阈值电压：UTH 0
电压传输特性
uO UOH
ui 0 UOL
一、过零比较器
21、、反有相限过幅零的比反较相器过零比较器
【例题】电路如图所 示，试分析电路中的 发光二极管各在什么 情况下发光？
窗口比较器
9V
R1
6V
R1
3V
ui
R1
R2
R2
uA LED1
LED2
uB
LED3
R3
R3
9V
ui
uA
<3V L
3~6V L
>6V H
uB LED3 LED2 LED1
L
亮灭灭
H 灭亮灭
H
灭灭亮
§7-6 集成运放其他应用简介
7-6-1 有源滤波器
Rf R1
u (s) R 1
ui (s) 1 R 1 1
sC
sRC
20lg H( jw)(dB)
0.1 1 10
3
f
fH
20
§7-6 集成运放其他应用简介 7-6-2 波形发生器
1、正弦波信号发生器
热敏电阻 稳幅作用
正反馈网络兼 作选频网络
放大网络
2、非正弦波信号发生器
（1）方波发生器： 迟滞电压比较器+RC充放电回路。
电压传输特性：
uO UOH
ui 0 UR1 UR2
电压比较器小结
1、在电压比较器中，集成运放一般工作在非线性区，输出 电压只有高电平和低电平两种可能的情况。
2、通常用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数
关系。
3、电压传输特性有三个要素： （1）阈值电压： 令u u， 所 求 出 的 的ui就 是 阈 值 电 压 。
0 uO +UZ
0 -UZ
t
t 错误的输出
t
实际运放的开环增益不 是，所以状态的跃变 必须经过线性区，并需 要经过一定的时间。
三、迟滞比较器（施密特触发器）
if UR R2
Rf
+ R0
uO
ui R1
反相迟滞比较器
Rf引入正反馈， 运放工作在非线性区。 引入正反馈有两个作用： 1、正反馈加快了uO的转换速度，
+ URR '
根据虚断： i i 0 u U R; u ui ; ui U R : u u uO U Z ui U R : u u uO U Z
+UZ uO ui
0 UR
-UZ
阈值电压：
Байду номын сангаасUTH U R
2、求和型单限比较器
电压传输特性
UR R2
ui R1
+
R'
R0 uO
开特关性：uu
u u
: uO : uO
UOH UOL
在分析运放的各种应用电路时，首先必须判断其中的运放 工作在哪个区域。
线性区： 必须要在电路中引入深度负反馈。 非线性区： 运放工作在开环状态。
四、理想运放的线性应用：
反相比例运算电路 比例运算电路： 同相比例运算电路
差分比例运算电路 求 和 电 路： 反相求和电路
Auf
uo (s) u (s)
1
Rf R1
u (s) 1 ui (s) 1 sRC
一阶有源低通滤波器 :
H (s) Auf 1 sRC