-集成运放的非线性应用
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。
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
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。
第6章 集成运算放大器的非线性应用
uo
解决措施
t
采用滞回 比较器
0
干扰引起系 统误动作
滞回电压比较器（ ） 滞回电压比较器（2）
反相滞回比较器 运放工作于正反馈状态 结构特点： 结构特点： 比较信号加入反向输入端
ui UR
R1
Δ ∞ + + ∆
u0
R2
分析过程： 分析过程： +UOM 第一步： 由运放非线性工 u = 第一步： o 作特点， 作特点，有 -UOM 第二步： 由电路求u 第二步： 由电路求 +与u(1) 对图示电路，有 对图示电路， u-=ui
t
0 -UOM
滞回电压比较器（ ） 滞回电压比较器（6）
UR
R3
同相滞回比较器
ui
Δ ∞ + + ∆
R
u0
结构特点： 结构特点：
运放工作于正反馈状态 比较信号加入同相输入端 u-=UR
R1 R2
± UZ
(1) 阈值计算 对图示电路， 对图示电路，有 用叠加原理求u 用叠加原理求 +
uo单独作用 ui单独作用
滞回比较器， 滞回比较器，输出经积分电路再 输入到此比较器的反相输入端。 输入到此比较器的反相输入端。
R1 + R2 R1 U th1 = UR + UZ R2 R2
当uo=+UZ时， u+2=u-=UR、Uth=ui，即
U +2
所以
R1 R2 = (+U Z ) + U th 2 = U R R1 + R2 R1 + R2
U th 2 R1 + R2 R1 = U R + (−U Z ) R2 R2
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
集成运放的非线性应用47929页PPT文档
所需输入电压的值，而迟滞比较器的灵敏度等于两个
阈值电压之差值。因而，迟滞比较器的抗干扰能力强。
（4）响应时间：输出电压发生跳变所需的时间称
之为响应时间。
13
5．电压比较器的分析方法
按理想情况分析
若U-＞U+ 则UO=-UOM； 若U-＜U+ 则UO=+UOM。
只有当U-=U+时，输出状 态才发生跳变；反之，若输出
UR ui
+
当ui < UR时 , uo = +Uom
+ uo 当ui > UR时 , uo = -Uom
uo
+Uom
0
-Uom
ui
UR
17
电压 比较器
二、零电平比较器: 当UR =0时 uo
ui
+
+ uo
+UOM
0
ui
+
+ uo ui
-UOM uo
+UOM
0
ui
-UOM
18
电压
比较器
例题：利用电压比较器 将正弦波变为方波。
外围电路有非线性元件—— -UZ
稳压二极管。
6
*另一种形式的限幅器：双向稳压管接于负反馈回路上。
反向D比Z 例
运算电路
当稳压管RRF1不u通i ，U 运Z 时放，工双作向在
RF
线性状态。
ui
R1
–
+A +
uo
uo
RF R1
ui
当向稳压RRF1管u的i 作U 用Z 时下，，在双
uoU Z或uo U Z
集成运放的非线性应用
0
-UO m
uO
当ui>UR时，u0=＋U0Mui ＋ ；
0
当ui<URO时，u0=－U0M。 加 － -U m
传输特性
UR
UR
ui
1
-UO m
1.5 集成运放的非线性应用
R1ui＋ －R2+ +
±VZ
∞
uO
＋ －
电压比较器广泛应 用在模-数接口、 用在模-数接口、电平 检测及波形变换等领域。 检测及波形变换等领域。 如图所示为用过零比较 器把正弦波变换为矩形 波的例子。 波的例子。
1.5 集成运放的非线性应用 一、电压比较器 uO
+UOm 当ui<0时，u0=＋U 时 ＋ ∞ R1 根据输入电压与参考电压的比较来确定输出电压。 根据输入电压与参考电压的比较来确定输出电压。 0M； ∞
R2
UR
＋
ui
－
+ + + + -
ui ＋ 当ui>0时，u0=－U0M。 时 － uO
0
－
uO
4
1.6 集成运放应用中的一些问题
二、集成运放的消振
通常是外接RC消振电路或消振电容， 通常是外接 消振电路或消振电容，用它来 消振电路或消振电容 破坏产生自激振荡的条件。是否已消振， 破坏产生自激振荡的条件。是否已消振，可将输 入端接地，用示波器观察输出端有无自激振荡。 入端接地，用示波器观察输出端有无自激振荡。 目前由于集成工艺水平的提高， 目前由于集成工艺水平的提高，运算放大器 内部已有消振元件，毋须外部消振。 内部已有消振元件，毋须外部消振。
三、调零
模拟电子技术实验-集成运算放大器的非线性应用电路
实验: 集成运算放大器的非线性应用电路一、实验目的1.掌握单限比较器、滞回比较器的设计、测量和调试方法。
2.掌握电压比较器应用电路电压传输特性的测试方法。
3.学习集成电压比较器在电路设计中的应用。
二、实验内容CCV+87651234OE IN-IN+CCV-LM311OCBAL/STRB BAL图1 741Aμ和LM311的引脚图1. 电压比较器（SPOC实验、Multisim仿真实验）（1）学习SPOC实验内容，利用Multisim仿真软件，按图2接好电路，电阻R1=R2=10kΩ，电阻R3为5.1kΩ。
由函数信号发生器调出1000Hz，峰峰值为5V，偏移量为0V的正弦交流电压加至iu端。
按表中给定数值改变直流信号源输入电压U R。
利用示波器通道1测量输入iu电压波形，通道2测量输出ou端的矩形波波形如图3所示。
其中稳压管VS选取：“DIODE”→“ZENER”→“1N5233B”iuou图2 电压比较器图3 输出电压波形（2）按表1中给定值调节U R的大小，用示波器观察输出矩形波的变化，测量测量HT和T的数值，并记入表1中。
表1电压比较器的测量0 1000 492.518 0.5 1000 945.454 11000 436.052截图仿真电路图：当U R =1V 时，截取输入i u 和输出o u 的电压波形：2. 反相滞回比较器电路（SPOC 实验、Multisim 仿真实验）1) 学习SPOC 实验内容，利用仿真软件，按图4所示的电路选择电路元件，接好电路。
其中稳压管VS 选取：“DIODE ”→“ZENER ” →“1N5233B ”-++81R iu ou 2R FR 3R 10k Ω10k Ω100k Ω5.1k ΩVS图4 反相滞回比较器仿真电路图截图：2) i u 接频率为1kHz ，峰峰值为2V 的正弦信号，观察并截取输入i u 和输出o u 的波形。
要求示波器的通道1接输入电压波形，通道2接输出电压波形。
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uo
因为当u+=u-时输出发生跳变
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
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
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。
其传输特性如图所示
+U
ui1 ui2 uo(V)
-Δ A
+
+
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
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
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
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
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
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
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
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
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
+
+
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
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
(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