-集成运放的非线性应用
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3-4 集成运算放大器的非线性应用
一、 运放非线性应用的条件和分析特点
二、 电压比较电路
单限电压比较器 滞回电压比较器
三、 非正弦波发生电路
矩形波发生电路 三角波发生电路 锯齿波发生电路
一、运放非线性应用的条件与特点
➢运放工作在非线性状态的条件 在图示运放电路中，有 uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui
反相滞回比较器
ui
R1
-Δ ∞
结构特点： 运放工作于正反馈状态
+ +
u0
比较信号加入反向输入端
R2
分析过程：
第一步：
由运放非线性工 作特点，有
uo=
第二步： 由电路求u+与u-
+UOM 当u+>u- R3 -UOM 当u+<u-
(1) 对图示电路，有 u-=ui
(2) 求u+
U
R2 R2 R3
(U OM
uo
因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=0，所
以
Uth=ui=0
比较器的传输特性
uo=
+UOM -UOM
当ui>0 当ui<0
0
ui
单限电压比较器（3）
过零电压比较器可将正弦波变换为矩形波
R1
-Δ ∞
+
+
ui
R2
u0
uo
+ UOM
uo
t
- UO0M
0
ui
ui>0
ui<0
uo=UOM uo=-UOM
U th2
U2
R2 R2 R3
(UOM )
注意：Uth1>Uth2
ui
第四步： 分析传输特性 （1）ui由-∞逐渐增大
ui=-∞时，uo=+UOM，阈值为Uth1 -∞<ui<Uth1时，uo=+UOM ui=Uth1时，跳变，uo=-UOM ui>Uth1时，uo=-UOM，阈值为Uth2
（2）ui由+∞逐渐减小 ui=+∞时，uo=-UOM，阈值为Uth2
二、工作原理:
（1）阈值电压计算：
R1
Δ
-Δ ∞
R4
u0
C
+ UC
U+ +
+
-
R2 R3
±UZ
U th1
R2 R3 R2
UZ
U th 2
单限电压比较器
任意电压比较器
UR≠0 ui
运放工作于开环状态
R1
-Δ ∞ R
+
+
u0
结构特点： 参考电压UR≠0
UR
R2
±UZ
分析方法：
+UZ 当u+>u-
第一步：由运作放特非点线，性有工 uo=
-UZ 当u+<u-
第二步：由电路求u+与u- 对图示电路，有u+=UR、u-= ui
第三步：求阈值，得出比较器的传输特性
U th2
U2
R2 R2 R3
(U OM
)
R3 R2 R3
UR
注意：Uth1>Uth2
例：R1=10k，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入ui为如 图所示的波形时，画出输出uo的波形。
解：
U
R1 R1 R2
(U Z )
R2 R1 R2
U REF
ui
U th1
R1 R1 R2
UZ
R2 R1 R2
U REF
8V
t
U th2
R1 R1 R2
(U Z )
R2 R1 R2
U REF
3V
ui
8V
3V
U th1
R1 R1 R2
UZ
R2 R1 R2
UR
8V
U th 2
R1 R1 R2
(U Z )
R2 R1 R2
UR
3V
uo
矩形波发生电路
一、电路结构:
滞回比较器 + R1C负反馈网络
uo
因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=UR，所 +UZ
以
Uth=ui=UR
比较器的传输特性 uo=
-UZ 当ui>UR +UZ 当ui<UR
UR
0
ui
-UZ
滞回电压比较器
缺点 优点 单限电压比较器电路结构简单、灵敏度高，但抗干扰能力较差。
uo 0
解决措施 采用滞回 比较器
t
干扰引起系 统误动作
+
+
UR
R2
u0
分析过程：
第一步：
由运放非线性工 作特点，有
uo=
第二步： 由电路求u+与u-
+UOM 当u+>u- R3 -UOM 当u+<u-
(1) 对图示电路，有 u-=ui
(2) 用叠加原理求u+
uo单独作用
U
R2 R2 R3
(U OM
)
R3 R2 R3
UR
UR单独作用
注意：对于不同的输出值，U+有两个取值
虚接跳变
设I+与I-为运放同相与反相端的输入电流 ，因为对于理想
运放有rid=∞，所以
I+=I-=0
虚断
单限电压比较器（1）
电压比较器的功能：利用输出信号的变化，比较两个电压的大小
比较信号 电压
参考电压
输出电压
ui
电 压
+UOM
UR
比 较
uo =
-UOM
电压比较器的阈值： 当ui＝UR时，输出发生跳变， 故UR被称为阀值电压。
U
R2 R2 R3
(UOM )
R2
R3
R3
U
R
ui
R1 -Δ ∞
+ +
u0
UR R2
第三步： 求阈值
R3
因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=Uth，所以 当uo=+UOM时， u+1=u-=ui=Uth1，即
U th1
U 1
R2 R2 R3
U OM
R3 R2 R3
UR
当uo=-UOM时， u+2=u-=ui=Uth2，即
其传输特性如图所示
+U
ui1 ui2 uo(V)
-Δ A
+Байду номын сангаас
+
uo
-U
结论：在开环与正反馈条件 下，运放工作在非线性区。
非性区
0
ui(mV)
非性区
线性区
运放非线性应用的条件与特点（2）
➢运放工作在非线性状态下的两个特点
设+UOM与-UOM为运放输出的正、负最大值 ，有 +UOM 当u+>u-
uo= -UOM 当u+<u-
)
注意：对于不同的输出值，U+有两个取值
U
R2 R2 R3
(UOM )
ui
R1
-Δ ∞
+ +
u0
R2
第三步： 求阈值
R3
因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=Uth，所以 当uo=+UOM时， u+1=u-=ui=Uth1，即
U th1
U 1
R2 R2 R3
U OM
当uo=-UOM时， u+2=u-=ui=Uth2，即
Uth2<ui<+∞时，uo=-UOM ui=Uth2时，跳变，uo=+UOM
ui<Uth2时，uo=+UOM，阈值为Uth1
R1
-Δ ∞
+ +
u0
R2
Ru3o +UOM
Uth2
0
Uth1 ui
-UOM
定义：回差电压 Δuth=Uth1-Uth2
反相滞回比较器-带参考电压
ui
R1
-Δ ∞
滞回比较器接入参考电压：主要是 阀值电压发生了改变
电压比较器的分类： 单限比较器 滞回比较器
过零电压比较器
UR=0
R1
-Δ ∞
运放工作于开环状态
+ +
u0
结构特点：
ui
R2
参考电压UR=0 分析方法：
第一步：由运作放特非点线，性有工 uo=
+UOM 当u+>u-UOM 当u+<u-
第二步：由电路求u+与u-
对图示电路，有u+=ui 、u-=0
第三步：求阈值，得出比较器的传输特性
一、 运放非线性应用的条件和分析特点
二、 电压比较电路
单限电压比较器 滞回电压比较器
三、 非正弦波发生电路
矩形波发生电路 三角波发生电路 锯齿波发生电路
一、运放非线性应用的条件与特点
➢运放工作在非线性状态的条件 在图示运放电路中，有 uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui
反相滞回比较器
ui
R1
-Δ ∞
结构特点： 运放工作于正反馈状态
+ +
u0
比较信号加入反向输入端
R2
分析过程：
第一步：
由运放非线性工 作特点，有
uo=
第二步： 由电路求u+与u-
+UOM 当u+>u- R3 -UOM 当u+<u-
(1) 对图示电路，有 u-=ui
(2) 求u+
U
R2 R2 R3
(U OM
uo
因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=0，所
以
Uth=ui=0
比较器的传输特性
uo=
+UOM -UOM
当ui>0 当ui<0
0
ui
单限电压比较器（3）
过零电压比较器可将正弦波变换为矩形波
R1
-Δ ∞
+
+
ui
R2
u0
uo
+ UOM
uo
t
- UO0M
0
ui
ui>0
ui<0
uo=UOM uo=-UOM
U th2
U2
R2 R2 R3
(UOM )
注意：Uth1>Uth2
ui
第四步： 分析传输特性 （1）ui由-∞逐渐增大
ui=-∞时，uo=+UOM，阈值为Uth1 -∞<ui<Uth1时，uo=+UOM ui=Uth1时，跳变，uo=-UOM ui>Uth1时，uo=-UOM，阈值为Uth2
（2）ui由+∞逐渐减小 ui=+∞时，uo=-UOM，阈值为Uth2
二、工作原理:
（1）阈值电压计算：
R1
Δ
-Δ ∞
R4
u0
C
+ UC
U+ +
+
-
R2 R3
±UZ
U th1
R2 R3 R2
UZ
U th 2
单限电压比较器
任意电压比较器
UR≠0 ui
运放工作于开环状态
R1
-Δ ∞ R
+
+
u0
结构特点： 参考电压UR≠0
UR
R2
±UZ
分析方法：
+UZ 当u+>u-
第一步：由运作放特非点线，性有工 uo=
-UZ 当u+<u-
第二步：由电路求u+与u- 对图示电路，有u+=UR、u-= ui
第三步：求阈值，得出比较器的传输特性
U th2
U2
R2 R2 R3
(U OM
)
R3 R2 R3
UR
注意：Uth1>Uth2
例：R1=10k，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入ui为如 图所示的波形时，画出输出uo的波形。
解：
U
R1 R1 R2
(U Z )
R2 R1 R2
U REF
ui
U th1
R1 R1 R2
UZ
R2 R1 R2
U REF
8V
t
U th2
R1 R1 R2
(U Z )
R2 R1 R2
U REF
3V
ui
8V
3V
U th1
R1 R1 R2
UZ
R2 R1 R2
UR
8V
U th 2
R1 R1 R2
(U Z )
R2 R1 R2
UR
3V
uo
矩形波发生电路
一、电路结构:
滞回比较器 + R1C负反馈网络
uo
因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=UR，所 +UZ
以
Uth=ui=UR
比较器的传输特性 uo=
-UZ 当ui>UR +UZ 当ui<UR
UR
0
ui
-UZ
滞回电压比较器
缺点 优点 单限电压比较器电路结构简单、灵敏度高，但抗干扰能力较差。
uo 0
解决措施 采用滞回 比较器
t
干扰引起系 统误动作
+
+
UR
R2
u0
分析过程：
第一步：
由运放非线性工 作特点，有
uo=
第二步： 由电路求u+与u-
+UOM 当u+>u- R3 -UOM 当u+<u-
(1) 对图示电路，有 u-=ui
(2) 用叠加原理求u+
uo单独作用
U
R2 R2 R3
(U OM
)
R3 R2 R3
UR
UR单独作用
注意：对于不同的输出值，U+有两个取值
虚接跳变
设I+与I-为运放同相与反相端的输入电流 ，因为对于理想
运放有rid=∞，所以
I+=I-=0
虚断
单限电压比较器（1）
电压比较器的功能：利用输出信号的变化，比较两个电压的大小
比较信号 电压
参考电压
输出电压
ui
电 压
+UOM
UR
比 较
uo =
-UOM
电压比较器的阈值： 当ui＝UR时，输出发生跳变， 故UR被称为阀值电压。
U
R2 R2 R3
(UOM )
R2
R3
R3
U
R
ui
R1 -Δ ∞
+ +
u0
UR R2
第三步： 求阈值
R3
因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=Uth，所以 当uo=+UOM时， u+1=u-=ui=Uth1，即
U th1
U 1
R2 R2 R3
U OM
R3 R2 R3
UR
当uo=-UOM时， u+2=u-=ui=Uth2，即
其传输特性如图所示
+U
ui1 ui2 uo(V)
-Δ A
+Байду номын сангаас
+
uo
-U
结论：在开环与正反馈条件 下，运放工作在非线性区。
非性区
0
ui(mV)
非性区
线性区
运放非线性应用的条件与特点（2）
➢运放工作在非线性状态下的两个特点
设+UOM与-UOM为运放输出的正、负最大值 ，有 +UOM 当u+>u-
uo= -UOM 当u+<u-
)
注意：对于不同的输出值，U+有两个取值
U
R2 R2 R3
(UOM )
ui
R1
-Δ ∞
+ +
u0
R2
第三步： 求阈值
R3
因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=Uth，所以 当uo=+UOM时， u+1=u-=ui=Uth1，即
U th1
U 1
R2 R2 R3
U OM
当uo=-UOM时， u+2=u-=ui=Uth2，即
Uth2<ui<+∞时，uo=-UOM ui=Uth2时，跳变，uo=+UOM
ui<Uth2时，uo=+UOM，阈值为Uth1
R1
-Δ ∞
+ +
u0
R2
Ru3o +UOM
Uth2
0
Uth1 ui
-UOM
定义：回差电压 Δuth=Uth1-Uth2
反相滞回比较器-带参考电压
ui
R1
-Δ ∞
滞回比较器接入参考电压：主要是 阀值电压发生了改变
电压比较器的分类： 单限比较器 滞回比较器
过零电压比较器
UR=0
R1
-Δ ∞
运放工作于开环状态
+ +
u0
结构特点：
ui
R2
参考电压UR=0 分析方法：
第一步：由运作放特非点线，性有工 uo=
+UOM 当u+>u-UOM 当u+<u-
第二步：由电路求u+与u-
对图示电路，有u+=ui 、u-=0
第三步：求阈值，得出比较器的传输特性