第九章波形发生电路和集成运放的非线性应用.
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集成运放的非线性应用-PPT精品文档
R R f R 2 2 U U U ; U U U ; TH R Z TH R Z R R R R R R R R 2 f 2 f 2 f 2 f 2 R 2 （与参考电压无关） U U U U T TH TH Z R R 2 f
R f
回差电压
一、过零比较器
1、反相过零比较器 R
电压传输特性
ui
R'
+
uO
uO UOH 0 UOL ui
u 0 ; u ui ; ui 0 : u U u u O OL u U ui 0 : u u O OH
阈值电压： U TH 0
根据虚断： i i 0
+UZ -UZ
说明U＋有两种取值，
令 u u ，可以求出两个不同的 阈值电压。
上限阈值电压、下限阈值电压和回差电压：
if UR R2 + Rf
u
R0
Rf R2 Rf
UR
+
uO
R2 UO R2 R f
+UZ -UZ
ui R1
反相迟滞比较器
ui 很小时，输出 U U ; O Z U ui 很大时，输出 U O Z; 电路状态发生跳变， 当 u 时， u
R f
ui R1
反相迟滞比较器
R 2 U U U ; TH R Z R R R R 2 f 2 f
R f
uO
+UZ UTH+ui
-UZ
2 R 2 U U U U T TH TH Z R R 2 f
UTH- 0
传输特性
求阈值电压、电压传输特性？ 同相迟滞比较器
电子技术第09讲(运放非线性应用)
此时，C 经输出端放电,再反向充电
uc U+H
uo
t
R2
U+L -UOM
uc达到U+L时，uo上翻
当uo 重新回到＋UOM 以后，电路又进入另一个
周期性的变化。
25
周期与频率的计算： uc
uc +
R
U+H
C
－
+
+
0
uo U+L
t
R1
uo
R2
UOM
T = 2RC ln(1+ 2R1 )
0
t
R2 - UOM
ui
+
R1 R1 + R2
U om
=
UR
21
加上参考电压后的迟滞比较器(上行)传输特性：
uo
R
UR
－ +
+
uo
ui
Uom
0 U+L U+H ui
R1
R2
-Uom
对照
R
－ +
+
uo
ui
uo
Uom
U+L
0
U+H ui
R1
R2
-Uom
22
12.6 信号发生电路
12.6.1方波发生器 uc
R
C
－ +
+
uo
+
R´
R ´=R
+UZ
0
ui
-UZ
10
12.5.3 迟滞比较器
特点:电路中使用正反馈, 运放处于非线性状态
运放的非线性应用 ppt课件
R2 R3
UZ
uo
uO UZ
运放的非线性应用
12.1 矩形波发生器
uu cc
R1
RR22UU ZZ RR22RR33
R4
C
A
uo
OO
R2 R3
UZ
RR22UU ZZ RR22RR33
uu oo
UU ZZ
OO
T2R1Cln12RR32
UU ZZ
运放的非线性应用
波形
t
t
T1 T
12.1 矩形波发生器
运放的非线性应用
集成运放工作在开环或状态时，因开环增 益很大，运放的输出只有高电平和低电平两个 稳定状态，输出与输入是状态转换控制的关系， 不成线性关系
集成比较器
非正弦波发生器
运放的非线性应用
非正弦波发生器
矩形波发生器 三角波发生器 锯齿波发生器
运放的非线性应用
12.1 矩形波发生器
结构
RC
反 馈
O
R2
运放的非 线R R 性1 2应U 用Z
t
12.3 锯齿波发生器
结构及原理
R5 Dτ充 (R4/C/R6)C
R3
R4
A1
Uo1
A2
uo
R1 R2
τ放 R4C
UZ
R5
运放的非线性应用
12.3 锯齿波发生器
波形
R5 D
C
u o1
R3
R4
A1
Uo1
U Z
A2
uo
O
t
R1 R2
UZ
R5
U Z
uo
UO1 UZ
UZ
运放的非线性应用
12.2 三角波发生器
集成运放的非线性应用
（1）放大电路 （2）正反馈网络 （3）选频网络 （4）稳幅环节
3.正弦波信号振荡电路的分类
根据选频网络构成元件的不同，可把 正弦信号振荡电路分为如下几类：选频网 络若由RC元件组成，则称RC振荡电路； 选频网络若由LC元件组成，则称LC振荡电 路；选频网络若由石英晶体构成，则称为 石英晶体振荡器
由于比较器的输出只有高、低电平两 种状态，故其中的运放常工作在非线性区。 从电路结构来看，运放常处于开环状态或 加入正反馈。
根据比较器的传输特性不同，可分为 单限比较器、滞回比较器及双限比较器等。
5.1.1 单限比较器
单限比较器是指只有一个门限电压的比较器。
图5.1单限比较器电路和其传输特性
比较器输出电压由一种状态跳变为另 一种状态时，所对应的输入电压通常称为 阈值电压或门限电压，用UTH 表示。可见， 这种单限比较器的阈值电压UTH=UR。 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5.2所示。
如果有意识地使C的充电和放电时间
常数造成显著的差别，则在电容两端的电
压波形就是锯齿波。图5.8是利用一个滞回
比较器和一个反相积分器组成频率可调节
的锯齿波发生电路。
图5.8 频率和幅度均可调节的锯齿波发生电路
5.3 正弦波信号振荡电路
5.3.1 正弦波信号振荡电路的基本概念
1.正弦波信号振荡电路的产生条件
5.3.4 石英晶体振荡电路 1.石英晶体的基本特性和等效电路
天然的石英是六菱形晶体，其化学成分是二 氧化硅(SiO2)。石英晶体具有非常稳定的物理和 化学性能。从一块石英晶体上按一定的方位角切 割，得到的薄片称“晶片”。晶片通常是矩形， 也有正方形。在晶片两个对应的表面用真空喷涂 或用其他方法涂敷上一层银膜，在两层银膜上分 别引出两个电极，再用金属壳或玻璃壳封装起来， 就构成了一个石英晶体谐振器。它是晶体振荡器 的核心元件。
集成运放的非线性应用
从中我们可以看到：改变R、C或R2、R3均 可改变电路的振荡周期。以上所述的是建
立在UOH UOL 的基础上。若UOH UOL，则 产生 T1 T2 的矩形波。
2019/7/10
《电子技术基础》 差动放大电路
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5.7.2 三角波产生电路
在方波发生电路中，当滞回比较器的阈值 电压数值较小时，可将电容两端的电压看成 为近似三角波。但是，一方面这个三角波的 线性度较差，另一方面带负载后将使电路的 性能产生变化。实际上，只要将方波电压作 为积分运算电路的输入，在积分运算电路的 输出就得到三角波电压。
2019/7/10
《电子技术基础》 差动放大电路
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5.7.1 矩形波产生电路
矩形波发生电路是其它非正弦波发生电 路的基础，当方波电压加在积分运算电路 的输入端时，输出就获得三角波电压；而 如果改变积分电路正向积分的反向积分的 时间常数，使某一方向的积分常数趋于零， 就能够获得锯齿波。
2019/7/10
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《电子技术基础》 差动放大电路
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T1
放
ln
u（c ） u（c ）
u（c 0） u（c T1）
放 RfC
uc () UZ
uc (0 )
R1
R2
R2
U
Z
uc (T1)
R2 R1 R2
UZ
；：
T
T1
T2
2R f C ln(1
2R2 ) R1
换等领域。如图所示为用过
零比较器把正弦波变换为矩
UOM uo
形波的例子。
－UOM0
ui
集成运放的非线性应用
集成运放的非线性应用
非线性应用 由运放组成的电路 处于非线性状态。
ui = u+ - u-
+ A+
uo
开环或有正反馈
u+ > u－ ，uo = +UO（sat）
uo
+UO（sat）
u+ < u－ ，uo = -UO（sat）
ui = u+ - u-
-UO（sat）
2
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，首先确定运放的状态， 主要由有无负反馈决定。
R2
R1
DZ
uc
U+H
0
t
14
uc
U+H
0
uo
Uz
0
-Uz
在 uc < U+H 时， u- < u+ ,
t uo 保持 + Uz 不变；
一旦 uc > U+H , 就有 u- > u+ t uo 立即由＋Uz 变成－Uz !
15
(b) 当uo = -Uz 时，
uc
R
u+=U+L C 经输出端放电，
25
改进电路
R
T2
R´
T1
－ +
+
R1
R2
uo
t
T1 T2
R
C
R´
-
+
+
R2
uo
26
3. 锯齿波发生器
－
+
+
R1
R2
uo
R
C
R´
非线性应用 由运放组成的电路 处于非线性状态。
ui = u+ - u-
+ A+
uo
开环或有正反馈
u+ > u－ ，uo = +UO（sat）
uo
+UO（sat）
u+ < u－ ，uo = -UO（sat）
ui = u+ - u-
-UO（sat）
2
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，首先确定运放的状态， 主要由有无负反馈决定。
R2
R1
DZ
uc
U+H
0
t
14
uc
U+H
0
uo
Uz
0
-Uz
在 uc < U+H 时， u- < u+ ,
t uo 保持 + Uz 不变；
一旦 uc > U+H , 就有 u- > u+ t uo 立即由＋Uz 变成－Uz !
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(b) 当uo = -Uz 时，
uc
R
u+=U+L C 经输出端放电，
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改进电路
R
T2
R´
T1
－ +
+
R1
R2
uo
t
T1 T2
R
C
R´
-
+
+
R2
uo
26
3. 锯齿波发生器
－
+
+
R1
R2
uo
R
C
R´
集成运放的非线性应用
实验2.4 集成运放的非线性应用一、实验目的1、加深理解集成运放非线性应用的原理及特点。
2、熟悉对波形变换与波形发生电路的设计方法。
3、加深对波形变换与波形发生电路的工作原理的理解并掌握其波形及特性参数的测试方法。
二、实验原理1、滞回电压比较器图 2.4.1（a ）所示为反相输入滞回电压比较器。
其中，R 1、R 2构成正反馈电路，R O 、Dz 构成输出双向限幅电路。
由于引入了正反馈，故运放工作在非线性状态下，具有“虚断”和“虚短跳变”的特性。
当u i 由负值正向增加到大于等于其阈值电压U th1时，输出u o 将由正的最大值U OH 跳变为负的最大值U OL ；反过来，图2.4.2当u i 由正值反向减小到小于等于其阈值电压U th2时,u o 则由负的最大值U OL 跳变至正的最大值U OH 。
上述这一（输入—输出）特性（即传输特性）如图2.4.1（b ）所示。
（a ）滞回电压比较器Ru 0(b) 传输特性曲线 u i模拟电子技术实验根据“虚短跳变”的条件，可以求得这两个阈值电压分别为2、过零比较器过零比较器如图2.4.2（a）所示，运算放大器工作在非线性状态，其输入和输出的关系为Ui>0 Uo=-UzUi<0 Uo=+UzUi=0 状态转变传输特性如图2.4.2(b)所示。
3、波形变换电路滞回电压比较器可以直接用作波形变换。
例如，当输入的ui为一正弦波时（或任何周期性非正弦波），其输出uo则为一矩形波，如图2.4.3所示。
很显然，这一变换只有在Um 大于Uth1及时才能发生，否则uo将始终为UOH或UOL。
此外，当Uth1与Uth2的绝对值相等时（对于图2.4.1的电路而言），uo为对称的矩形波，否则uo 为不对称的矩形波。
OHthURRRU2121+=OLthURRRU2122+=2thU(a) 过零比较器(b) 传输特性曲线U iU0图2.4.24、三角波—方波发生电路图2.4.4（a ）是一种最基本的三角波—方波发生电路;（b ）则为其工作波形。
集成运算放大器及应用—集成运放的非线性应用(电子技术课件)
集成运放的内部结构。无论是输入信号的正向电压或负向电压超过二极管导通电压， 则V1或V2中就会有一个导通，从而限制了输入信号的幅度，起到了保护作用。
(a)反相输入
(b)同相输入
图3.3.9 输入保护电路
(3)输出保护 利用稳压管V1和V2接成反向串联电路。若输出端出现过高电压，集成运放输
出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。
由于大部分集成运放内部电路的改进，已不需要外加补偿网络。
3.保护电路 (1)电源极性的保护 利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造成的损坏。当
电源极性错接成上负下正时，两二极管均不导通，等于电源断路，从而起 到保护作用。
图3.3.8 电源极性保护电路
(2)输入保护 利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏
由图可见，他们之间存在差值称为回差电 压或迟滞宽度u，用 表示，即：
图3.3.7 滞回电压比较器的传输特性
u Uth1 Uth2
三、集成运放使用常识 1.零点调整 方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。 2.消除自激振荡 方法：加阻容补偿网络。具体参数和接法可查阅使用说明书。目前，
滞回比较器具有两个不同的阈值，且相差较大（通常称我电压 滞回特性），即惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。
（1）滞回电压比较器中的阈值电压
图3.3.6 滞回电压比较器
当 uo U om 时，集成运放同相
输入端的电位为：
u
R1 R1 R2
F
Uth1
（2）滞回电压比较器中的阈值电压
图3.3.6 滞回电压比较器
当 uo U om 时，集成运放同相输入端
的电位为：
u
(a)反相输入
(b)同相输入
图3.3.9 输入保护电路
(3)输出保护 利用稳压管V1和V2接成反向串联电路。若输出端出现过高电压，集成运放输
出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。
由于大部分集成运放内部电路的改进，已不需要外加补偿网络。
3.保护电路 (1)电源极性的保护 利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造成的损坏。当
电源极性错接成上负下正时，两二极管均不导通，等于电源断路，从而起 到保护作用。
图3.3.8 电源极性保护电路
(2)输入保护 利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏
由图可见，他们之间存在差值称为回差电 压或迟滞宽度u，用 表示，即：
图3.3.7 滞回电压比较器的传输特性
u Uth1 Uth2
三、集成运放使用常识 1.零点调整 方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。 2.消除自激振荡 方法：加阻容补偿网络。具体参数和接法可查阅使用说明书。目前，
滞回比较器具有两个不同的阈值，且相差较大（通常称我电压 滞回特性），即惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。
（1）滞回电压比较器中的阈值电压
图3.3.6 滞回电压比较器
当 uo U om 时，集成运放同相
输入端的电位为：
u
R1 R1 R2
F
Uth1
（2）滞回电压比较器中的阈值电压
图3.3.6 滞回电压比较器
当 uo U om 时，集成运放同相输入端
的电位为：
u
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负反馈放大电路的自激振荡是要消除的，而 正弦波发生电路就是利用这种自激振荡的现象 来产生正弦信号。这里，人为引入了正反馈。
5
正弦波发生电路的框图
Xi
X id
X
f
电路的输入信号 电路的净输入信号 电路的反馈信号 电路的输出信号 正弦波发生电路的框图
Xo
在正弦波发生电路中，人为地接成正反馈。
F 1
0 3 j( ) 0
幅频特性为： F
1
0 ( ) 0 相频特性为： F arctg 3
0 2 9( ) 0
0 幅值最 大为1/3
0 F 0
在特征（谐振）频率点上RC串并联网络呈电阻性。 19
9.1.2 RC正弦波发生电路
11
3.正弦波发生电路的分析方法
（1）分析电路的组成; 是否包含放大、反馈、选频和稳幅等基本环节。 （2）分析放大电路能否正常工作;
是否有合适的静态工作点,动态信号是否能 够输入、输出和放大。 （3）检查电路能否满足自激条件； 检查相位平衡条件和 幅值平衡条件，关键检 查相位平衡条件。
12
3.正弦波发生电路的分析方法
16
9.1.2 RC正弦波发生电路
Z1 R1 1 / jC1
R2 Z 2 R 2 // 1 / jC 2 1 j R 2 C 2
Z2 F U o Z1 Z 2 R2 1 j R2C2 1 R2 C2 R1 1 R1 1/ jC1 (1 ) j ( R1C2 ) 1 j R2C2 C1 R2 R2C1 Uf
第九章
波形发生电路和集成运放 的非线性应用
9.1
正弦波振荡电路
9.2
9.3
电压比较电路
非正弦波发生电路
1
第九章Βιβλιοθήκη 波形发生电路和集成运放 的非线性应用
习题：9-5、 9-6 、9-9、9-16 、9-17 9-22（1. 2. 3.） 选作： 9-4 、
2
重点与难点
重点： 正弦波振荡电路的组成及振荡条件的判断; 桥式RC正弦波振荡电路的组成和工作原理; LC正弦波振荡电路的组成和工作原理; 比较器电压传输特性的分析方法; 矩形波、三角波、锯齿波振荡电路的波形分析。
AF 1
9
2.正弦波发生电路的组成部分
一般由以下基本部分组成： 1.宽频带放大电路； 2.引入正反馈的反馈网络； 3.选频网络； 正弦波发生电路的输出波形应是单一频率 的正弦波，要求电路只在所需的频率上满足起 振和维持振荡的条件。 选频网络可设置在放大电路或正反馈网络 中。通常正反馈网络和选频网络合二为一。
17
9.1.2 RC正弦波发生电路
F Uf Uo
1 C2 R1 1 (1 ) j (R1C2 ) C1 R2 R2C1
C1 C 2 C
通常取 R1 R 2 R
1 0 电路的特征角频率： RC
F
0 3 j( ) 0
1
18
9.1.2 RC正弦波发生电路
0）。 （4）估算振荡频率 f 0（
取决于选频网络参数。
13
3.正弦波发生电路的分析方法
正弦波发生电路类型分为：
RC正弦波发生电路、LC正弦波发生电路、 石英晶体正弦波发生电路。 RC正弦波发生电路振荡频率较低，一般在 1MHz以下； LC正弦波发生电路的振荡频率都在1MHz 以上； 石英晶体正弦波发生电路也可等效为LC正 弦波发生电路，其振荡频率十分稳定。
14
9.1.2 RC正弦波发生电路
RC正弦波发生电路可分为：RC串、并联 电路式（桥式）、移相式、双T电路式等类型。 最常用的是RC串、并联电路式。
15
9.1.2 RC正弦波发生电路
1．RC串、并联电路的选频特性 电路由 R1和 C1 的串联以 及 R2 和 C 2 的并联组合串联而 成，它在RC正弦波发生电路 中既是反馈网络又是选频网 络。
存在
AF 1
7
AF 1 是正弦波发生电路中能维持等幅自激 振荡的平衡条件。因为， F 是复数，所以式 A、 包含幅值条件和相位条件，即
AF 1 A F 2n
幅值条件
(n为整数)
相位条件
8
要建立振荡（起振），电路须满足正反馈 AF A F 2n ，同时使反馈信 条件即： 号 X f 大于净输入信号 X id 。只有这样，才 能使电路中自激振荡和输出信号由小到大建立 起来。 起振的幅值条件：
10
2.正弦波发生电路的组成部分
4.稳幅环节 电路满足起振条件后，输出信号将逐渐增 大。当幅值增大到一定程度后，放大电路中的 晶体管进入饱和或者截止区，输出波形将产生 失真。故电路中还必须有稳幅环节，其作用是 在振荡建立后，使幅值条件从 AF 1 自动演 变为 AF 1 ，使输出波形基本不失真。
1 0 RC
0时， F 0
F幅值最大， 为1/3
RC串并联网络的频率特性
20
2． RC桥式正弦波发生电路
（1）电路组成 由RC串、并联 网络和同相比例 运算电路构成。 运放引入负反馈， 该反馈网络没有 选频作用。 RC桥式正弦波发生电路
21
R F 和 R 1为集成
3
重点与难点
难点：本章所讲述的电路具有一定的综合性， 既含有集成运放工作在线性区的积分运算电路， 又含有集成运放工作在非线性区的滞回比较器， 因而给学习带来一定的困难。
4
9.1
正弦波振荡电路
9. 1. 1 概述
自激振荡是指：即使放大电路的输入端不加 信号，它的输出端也会出现某一频率和幅度的波 形。在这个频率点上，负反馈电路已经转变为正 反馈电路。
（2）振荡条件和起振条件
1） 产生振荡的相位平衡条件 断开U f到运放同相输入端 的连线，加入瞬时极性为正 的电压 U i' 。在某一频率点
6
1.正弦波发生电路的自激条件
即使输入信号 X i 0， 当反馈信号能完全代替 原来的净输入信号，即 X f X id时，仍可以产生 输出信号 X o 。
X
f
FXo
X o A X id
正弦波发生电路的框图
X f X id
F X o X o/ A