运算放大器的非线性应用
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
集成运算放大器的非线性应用——比较器
图9-19(a)所示为过零比较器符号。 由于集成运放处于开环状态，uo与ui不再保持线性关系，而是将同相端电压 和反相端电压进行比较。 当u+>u-，即ui<0时，uo=+Uo(sat)。 当u+<u-，即ui>0时，uo=-Uo(sat)。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
一、过零比较器
集成运算放大器的非线性应用——比较器
三、滞回比较器（施密特触发器）
图9-21所示为滞回比较器的电路图和波形图。由于电路工作于正反馈状态， 所以电路的输出电压将为负饱和值或正饱和值，uo与ui不再保持线性关系。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
三、滞回比较器（施密特触发器）
输入电压ui经电阻R1加在集成运放的反相输入端，参考电压UR经电阻R2接在 同相输入端，此外，从输出端通过电阻Rf引回反馈，引入的反馈类型为电压串联 正反馈。因此，同相输入端的电压uP是由参考电压UR和输出电压Uo共同决定的， Uo有-Uo(sat)和+Uo(sat)两个状态。在输出电压发生翻转的瞬间，运放的两个输入 端的电压非常接近，即uN=uP。因此可用叠加原理来分析它的两个输入触发电平。
把两个门限电平的差值称为回差电压ΔUTH，即
集成运算放大器的非线性应用——比较器
三、滞回比较器（施密特触发器）
回差电压的存在，可大大提高电路 的抗干扰能力，避免了干扰和噪声信号 对电路的影响。消除干扰的原理如图922所示。
集成运算放大器的非线性应用——比较器
四、窗口比较器
图9-23所示为窗口比较器，即电压比较器的基本输入信号。窗口比较器信号之间的关系见表9-1。
集成运算放大器 的非线性应用—
电工电子实验运算放大器的非线性应用
v 按P115实验内容要求进行测试，画出f=1.5kHz 的输出波形，标注相关参数。
4
P116-方波发生器
v 设计一个方波发 生器，电路技术 指标如下：
v 输出信号频率 f=1kHz。输出信 号电压幅度≥6V。
v 电源电压±9V。 v 负载阻抗
RL=10kΩ
9V 9V
方波发生器电路
5
工作原理
v 电路中R1和R2组成正 反馈电路、R4和C1构 成积分器、R3为输出 限流电阻、D1和D2 是输出限幅稳压管。 设两个稳压管的稳压 值相等，串联压降 V=VO+=| VO-|。
v 方波发生器的振荡频 率为
图2a方波发生器的输出波形
运算放大器的非线性运用
v P113 v P116
1
P113 文氏桥正弦振荡器
v 文氏桥正弦波发生器是一种常用的RC 振荡器，应用非常广泛。它由运放和 文氏电桥反馈网络组成。
v 为了获得单一频率的正弦波输出，应 该有选频网络，选出失真波形的基波 分量作为输出信号，以获得正弦波输 出。选频网络和正反馈网络或放大电
图1 文氏桥正弦振荡电 路
v 设R=R1= R2，C=C1=
C2。则有：
f0
1
2 RC
-7VHale Waihona Puke 1ms图2 图1电路输出波形
3
调测注意事项
v 电源电压必须对称，用万用表测量。连接到运 放集成电路时注意极性，不可接反。
v 输出电压的幅度由电源电压的数值和电位器R5 共同决定，最大输出电压UOPPmax≈2EC－4V
7
fO
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。
运算放大器非线性运用
§1 简单电压比较器
一、若ui从同相端输入
ui
+
UR – + uo
uo
+Uom
ui
0
UR
UR：参考电压 ui ：被比较信号
-Uom 传输特性
特点：运放处于开环状态。
当ui > UR时 , uo = +Uom
当ui < UR时 , uo = -Uom
二、 若ui从反相端输入 uo
UR+ Nhomakorabeaui
+ uo
U
R
UL
R1 R1 R2
U om
R2 R1 R2
UR
UR
uo R1
Uom
UL
0
-Uom
－
+
uo
+
R2
UH
ui
例：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V 当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出 uo的波形。
ui
R
－
+
+
uo ui 10V
5V
UR
R1
R2
比较器的功能是比较两个电压的大小。 常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗 口比较器和具有滞回特性的施密特触发器。这些 比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有 的具有两个阈值。
比较器的基本特点为：
工作在开环或正反馈状态。 开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电 平和低电平两个稳定状态。 非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。
0
t
根据传输特性画输出波形图 ui
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。
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运算放大器的非线性应用
实验目的
1.掌握检查运算放大器工作在非线性区的分析方法。
2.学会运用运算放大器实现波形变换及波形产生。
实验仪器
1.双踪示波器X1
2.函数发生器X1
3.数字万用表X1
4.直流稳压电源X1
5.模拟实验箱X1
实验原理
1.在集成运放应用的电路中，运放的工作范围有两种：工作在线性区（指输入电压U0与输出电压Ud成正比时的输入电压范围）或工作在非线性区。
2.集成运放工作在非线性区的特点：
Uo=UoH(UP>UN)
Uo=UoL(UP<UN)
3.当运放放大器处于开环或接入正反馈时，其传输特性为非线性，工作为非线性状态。
4. LM741的引脚图：
实验内容：
基本操作：
将电源1，电源2分别调为12V，将电源1的红色夹子接在放大器的引脚7（正电源端），将电源2的黑色夹子接在放大器的引脚4（负电源端），接着电源1,2的其余夹子接在一起(接地端)，使电源输出±12V。
(1).电压跟随器
实验电路图：
实验步骤：
1.调节信号发生器，在同相输入端接入直流电压Ui（-5 ~ 5V）。
2.使用万用表测量输出电压U0；比较Ui与U0的大小。
实验结果：
(2)过零比较器
实验电路图：
实验步骤：
1.如图连接电路，在输入端接入(峰峰值)Ui=2V,f=1kHz的正弦信号。
2.用示波器分别观察输入Ui和输出Uo波形，绘制传输特性。
实验结果：
(3)方波信号发生器
实验电路图：
操作步骤：
1.如上图所示连接电路。
2.用示波器观察输出Uo的波形，绘制波形。
3.用示波器测量输出Uo的频率，f=
4.用示波器观察输出Uo的幅值，Uo=
实验结果：
(4)占空比可调的矩形波发生器
实验电路图：
操作步骤：
1.如图连接电路。
2.调节Rw，用示波器观察输出U0的变化。
3.调节Rw为最大值，记录输出Uo波形。
4.调节Rw为最小值，记录输出Uo波形。
实验结果：
矩形波发生器输出波形实验总结：。