集成运算放大器的 非线性应用实验讲解
实验七 集成运算放大器应用(线性非线性应用)1
温度报警器电路(1)
+5V +5V RP=R1//Rf 2.7K RSX V01 A1 1 A 9 10 13 B 2KΩ Rf 10KΩ 4.7K 12 + － A3 + 8 V0
D1
1
2 TMP35 3 Vi
1KΩ
3 +
2 － R1
1KΩ
2.7K －
A4
14 D2
300
14
温度报警器电路(2)
因此传感器的输出信号一般不能直接作控制信号往往需要经一定的预处理与变换如将微弱信号进行放大通过有源滤波滤除干扰杂波进行线性化处理及温度补偿等等
集成运算放大器应用(线性/非线性应用1)
－－简易温度报警电路设计
1 实验目的
1.1 掌握温度控制器的设计方法与测试技术，了解 集成温度传感器TMP35G的工作原理与应用。
370 400
240
300
200
100 0 10 20 30 40 24
37
T0 C
（a）外形
（b）温度传感器特性曲线
（1）设定温度传感器的工作电压
TMP35G的工作电源电压2.7~5. 5v 选TMP35G工作电压为直流电压5V。
4.3.2
放大器电路
（ 1）选用集成运算放大器（LM324）构
成同相比例运算电路（见线性应用）。 （2）确定集成运算放大器的工作电压。 考 虑 到 TMP35G 的 工 作 电 源 电 压 为 5V，确定运放LM324采用单电源形式， 查阅手册，单电源电压范围 （3~30V），设定为电源电压为5V。 工作电流为3mA。
（3）同相比例运算放大电路
RF R1
2
－ A1
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。
电工电子实验之运算放大器的非线性应用
UF
1 ＝R U O 0 3 C j o (b) o
1
根据相位起振条件求振荡频率ωOSC 根据相位平衡条件，当ω= ωO时，
A F 2n
为正反馈。因此振荡频率为：
OSC
1 o RC
当ω= ωO时，F=1/3。
主要授课内容：
一、理想运算放大器概念 二、理想运算放大器特性 三、实验 运算放大器线性应用
实验目的
1、掌握集成运算放大器的非线性使用方法。 2、理解集成运算放大器的非线性应用的电 路原理。
运算放大器
集成运算放大器，有三级：输入级、中间级和 输出级。是一种直接耦合的高增益的放大器，Aud 可以达到上千。 如果在其外围加上负反馈，可以实现信号的运 算，处理，波形的产生和信号的变换等功能，应用 十分广泛。 为了分析方便，把实际运算放大器简化成 理想运算放大器。
一、理想运算放大器概念 1.开环差模电压增益Aud→∞； 2.差模输入电阻Rid→∞ 3.差模输出电阻Rod→0 4. KCMR→∞ 5.输入失调电流IIO、失调电压UIO和它们的温 漂均为零； 6.输入偏置电流IIB=0
7. 3dB带宽BW=∞
运算放大器的两种基本反馈组态 1、运算放大器的开环传输特性
三、实际测量
（二）.文氏桥正弦波振荡器
1、原理分析
首先讨论正反馈网络：
幅频特性和相频特性表达式为
其中
1 o RC
F
＋ R Uo C － (a) RC串并联网络 R
·
UF
1 H(
UO
C ＋ Uf －
·
1 3 j CR 1 CR
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
集成运算放大器非线性应用电路
姓名班级学号台号日期节次成绩教师签字集成运算放大器非线性应用电路一．实验目的二．实验仪器名称及型号三．实验内容（1）电压比较器1）按图一所示接好电路。
2）由函数信号发生器调出1000Hz，电压幅值为5V的正弦交流电压加至u i端。
3）按表1改变直流信号源输入U，用示波器测量输出电压u0的矩形波波形，如图二所示。
4）按表1调节U的大小，用示波器观察矩形波波形的变化，测量T H和T的数值，并计入表1。
表格 1 电压比较器的测量（2）滞回比较器1）按图3所示电路选择电路元件，接好电路。
2）由函数信号发生器调出1000Hz，电压幅值为5V的三角波电压加至u i端。
3）按表2改变直流信号源输入U端，用示波器测量输出电压u0的矩形波波形，如图4所示。
4）按表2改变U的大小，用示波器观察输出矩形波波形的变化，测量T H和T的数值。
5）用示波器观察输出矩形波波形的变化，测量输出u0又负电压跃变为正电压时的u i瞬时值u i+和u0由正电压跃变为负电压时u i瞬时值u i-，计入表2中。
表格 2 滞回比较器的测量（3）反向滞回比较器电路1）按图5所示电路选择电路元件，接好电路。
2）u i接直流信号源，改变直流电压信号，测出输出电压u0由正电压跃变为负电压时u i的临界值。
3）测出u0由负电压跃变为正电压时的u i临界值。
4）u i接频率为1000Hz，峰峰值为2V的正弦信号，观察并记录输入u i和输出u0的波形。
5）增加u i的幅值，并将双踪示波器改为X-Y方式显示，测量并记录传输特性曲线。
6）将电阻R f由100kΩ改为200kΩ，重复测量并记录传输特性曲线，说明滞回特性曲线和元件值之间的关系。
四，思考题1）滞回比较器与一般的电平比较器有何优点？2）滞回比较器输出电压的上升时间和下降时间与什么因素有关？如何减小上升时间和下降时间？原始数据记录表格 1 电压比较器的测量表格 2 滞回比较器的测量.。
集成运算放大器的线性和非线性应用
功能键
量程键
▲电压档、电流档、欧姆档的使用方法 ▲操作的原则：先选档，再选量程。 ▲表笔的使用原则：测量电压（交、直流）时，黑笔 总是接负极、地或低电位端。
输入信号的获得：
函数信号发生器
交流信号从函数信号发生器获得，注意函数信号发生器 输出的是峰峰值，为有效值的2.828倍，为幅值的2倍。
峰－峰显示值 频率显示值
波形
电源 频率调节旋钮 幅度调节旋钮 信号输出
R1 10kΩ
+ ui
_ 2 3 + DZ ∞ + 6 R 2 5 .1 k Ω
+ (U Z +
+ uo
稳压管的阴极和阳极要区分，带色环的一端为阴极；
（ a） 电 路 图
示波器的使用： 1）用双踪同时观察输入、输出波形。
2）输入、输出端可先插连线，再用示波器的夹子夹 连线观察。 但注意两个夹子不要碰在一起，否则会 短路！
——完成自拟表格
R 1 10k Ω u i1 u i2 R 2 10k Ω 2 3 R R′3 6.2k Ω
R f 100k Ω + 15 V _ 7 ∞ + + 4 R2 -15V 6 uo
ui1
ui2
R f 100k Ω
uo
uo
理论 测量 值 + 15 V 值
_ 7 ∞ + 6
0.5 u i1
R 1 10k Ω
ui1
ui
理论 测量 + 15 V R 1 100k Ω 值 值7 _
1
2 3 + 4 R3 100k Ω ∞ + 6
ui2
Rf u
-0.5 1.5
实验4 集成运算放大器应用(线性非线性应用)1
2.2 电压比较器设计
D1 8
VRH
9 － － A3 10 + 13
Vi2(V01)
－
+
VRL
A4 14
300Ω
12
D2
D3
2.2 电压比较器设计
选上限参考电压VRH=3.7V 选下限参考电压VRL=2.4V 利用电阻分压作用，用电阻组成分压器。并设定上下限电压，分压器的 电压仍用直流电源电压5V。 取分压器的等效电阻为R=10K 分压器的电流IFY=5/10=0.5mA 下限分压电阻： RXX(下限电阻)=2.4/0.5=4.8K 为了方便高调节下门限电压值，选用4.7K电位器。 RSX（上限电阻）=5-3.7/0.5=2.6K 选用2.7K电位器。 RZ=10-2.6-4.8=2.6K 选用2.7K的电位器
三、设计步骤
设计方案选择
针对任务、查阅相关资料，提出2-3个不同方案。
设计单元电路
1 确定各单元电路的设计，必要时应详细拟定主要单元电路 的性能指标。 2 选择元器件，计算参数 ，留适当裕量，保证电路在规定 条件下，正常工作。
画电路图 组装与调试
检验电路功能，记录实验数据，分析和处理出现的问题。
2、设计单元电路
2.1 放大电路设计
（1）选用集成运算放大器（LM324）构成同相比例 运算电路。 （2）确定集成运算放大器的工作电压。 考虑到TMP35G的工作电源电压为5V，确定运 放LM324采用单电源形式，查阅手册，工作电流 为3mA，单电源电压范围（3～30V），故设定其 电源电压为5V。
撰写实验报告
四、设计举例
设计要求：
1、工作温度：240C∼370C。 2、在工作温度内不发出报警信号（发光二极管不亮）。 3、当温度低于240C或高于370C时，发出报 （1）热电偶 优点：中等测量精度（1％～3％）；温度测量范围广 （-200~+2000℃ ；结构简单，使用方便； 成本极低；坚固耐用。 缺点：灵敏度低；响应速度低（几秒）；高温时老化 和漂移；非线性；稳定性低。
07.4集成运算放大器的非线性应用电路
R L
2
差模放大倍数
Ad
=
u 0 u id
uo1 uo2 u i1 ui2
u Id
-
i B2
u Od
R L 2-
2uo1
(Rc
// 1 2
RL )
2ui1
RB rbe
Rid=2(RB +rbe)
Rb2
i 2 B2
图3.3.5差分放大电路加差模信号（b)
Rod=2RC
共模抑制比
K CMR
Rb1
+ uI1
-
VBB
Rb2
+ uI2
-
VBB
图 差动放大电路的组成(c)
电路以两只管子集电极电位差 为输出，可克服温度漂移。
差模信号 输入信号uI1和uI2大小相等， 极性相反。
iB1 iB2 , ic1 ic2 uc1 uc2 uo uc1 uc2 2uc1
差动放大电路也称差分放大电路（输入有差别输出才有变化量）。
共模信号的输入使两管集
电极电压有相同的变化。
iB1 iB2 , iC1 iC2
所以
Uo uoc1 uoc2 0
共模放大倍数
AC
uoc uIc
电射路极参电数阻R的e对理共想模对信称号性的，负温反度馈变作化用时，管抑子制的了电每流只变晶化体完全 相管集同电，极故可电以流将的温变度化漂，移从等而效抑成制共集模电信极号的，电差位分的放变大化电。路 对共模信号有很强的抑制作用。
• 若UR=0，即运放反相输入端接地，则比较器的 阈值电压UTH=0。这种单限比较器也称为过零 比较器。利用过零比较器可以将正弦波变为方 波，输入、输出波形如图2所示。
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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