运放非线性应用
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
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
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。
运放的非线性应用原理
运放的非线性应用原理1. 引言运放（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种广泛应用于电子电路中的集成电路器件。
除了典型的线性应用，运放还可以应用于非线性电路中，实现多种有趣而实用的功能。
本文将介绍运放的非线性应用原理，并使用列点的方式进行阐述。
2. 非线性应用原理以下列出了几种常见的运放非线性应用原理：•比较器（Comparator）：通过利用运放的放大特性和比较特性，将输入信号和参考电压进行比较，并输出高或低电平的信号。
比较器常用于判断信号的高低电平或超过阈值等特定条件。
在计算机数字电路中，比较器也用于二进制数据的比较与处理。
•正弦波产生器（Oscillator）：利用运放的正反馈特性，实现自激振荡电路，产生稳定的正弦波信号。
正弦波产生器常应用于音频设备、信号发生器以及通信设备中。
•多谐振荡器（Multivibrator）：通过运放的放大特性和正反馈特性，构建多谐波振荡电路。
多谐振荡器可产生方波、矩形波和锯齿波等多种波形信号。
在电子乐器、通信设备和数字电路中，多谐振荡器有广泛的应用。
•限幅器（Clamper）：通过限制输入信号的幅值，实现对信号的限制和修正。
限幅器多用于音频设备和通信设备中，用于保护后续电路不受高幅值的输入信号的干扰。
•焊接控制器（Soldering Iron Temperature Controller）：运放非线性应用在温控领域中也有应用。
焊接控制器可通过运放的非线性运算功能，实现对焊接烙铁温度的精确控制。
在焊接电子元件时，可根据焊接环境和元件要求来控制烙铁的温度。
3. 非线性应用实例分析将以限幅器为例，对非线性应用原理进行实例分析：3.1 限幅器原理限幅器的原理是通过控制开关电路的导通和断开来限制输入信号的幅值。
输入信号超过设定的上下限幅值时，运放会切断输出信号。
以下为限幅器的工作原理：1.以一个正弦波信号作为输入信号。
2.设置上下限幅电压值。
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
电路与电子技术实验运放的非线性应用(分2层)
运放的非线性应用（分层）
实验任务：
任务一：验收：报告纸上：全部数据记录。
仪器上：示波器双通道显示任务（2）u i 、u o 波形。
任务二：验收：报告纸上：全部数据记录。
仪器上：示波器双通道显示u i 、u o 波形（采用X-Y 坐标系；测量需数格子，因此波形调得越大越好；示波器耦合方式为直流，水平、垂直基线归零；输入信号幅值改为5V ）。
4.3 各层次实验内容
实验层次 B 类 A 类
实验内容
实验任务一
实验任务一、二
B 类任务讲解
1. 任务与步骤。
电压传输特性曲线课后完成。
表1 过零电压比较器实验数据
表2 任务（2）i 、u o 波形参数
u i 波形参数
u o 波形参数
U ipp f i U oH U oL f o
2.o +-
3. 设备介绍。
可调直流电压源、稳压二极管(2DW231)、信号源接线。
4. 注意事项：
1) A 类任务无输出波形的可能原因：幅值未达到5V 或offset 旋钮未归零。
5. 安排值日。
u i (V) -4
-3
-2
-1
1
2
3
4
u o (V)
5.1k Ω
10k Ω
10k Ω
6V。
实验五运放非线性应用实验报告
集成运放的非线性应用一. 实验目的学习集成运放的基本非线性应用，了解集成运放使用中的有关问题，进一步熟悉运算放大器的特性。
二. 实验仪器设备1.实验箱2. 万用表3. 示波器三. 实验内容及要求RC振荡电路1、正确连接电路，并计算振荡频率。
2、接通电源，用示波器观察是否起振。
若不起振，调整W f的大小，使电路满足振荡条件。
当有输出波形后，调节W f的大小，使振荡波形达到基本不失真。
3、测量输出电压的幅值Vom和频率f o4、关掉电源，断开电路，测量负反馈电路中电阻值，计算 A vf。
10KΩ2200pFR2+Wf5.1KΩ迟滞比较器接线示意图思考题1．迟滞比较器和过零比较器相比具有哪些优点？过零比较器当输入信号在门限值附近有微小干扰波动时，输出电平就会产生相应的起伏，而迟滞比较器由于在电路中引入了正反馈克服了这一缺点，因此抗干扰能力比过零比较器更强；迟滞比较器加有正反馈可以加快比较的速度。
过零比较器只能比较输入与零电位的大小，而迟滞比较器可以通过调整相应的参数实现与任意电位的比较。
2．RC 振荡电路的振荡频率是由哪部分电路确定的？如何改变电路的振荡频率？RC 振荡电路的振荡频率是有RC 选频网络决定的，即图示电路中RC 串联与RC 并联网络决定。
振荡频率：012f RCπ= 可见，要想改变电路的振荡频率只需改变相应RC 的参数即可获得需要的频率。
3．如果迟滞比较器的输出为一条直线，那么可能原因有哪些？（1）输入信号幅值偏小只达到下门限电压值，达不到上门限电压值无法再次反转；（2）输入信号为直流（3）示波器接地了，输出零电位（4）电路中有短线4. 实验过程中遇到的问题，如何解决。
RC振荡电路不能起振，解决办法：调整Wf大小使A vf满足起振条件即A vf>3；输出波形失真，解决办法：调整Wf大小使波形刚好达到最大不失真；反馈电阻实测值比理论值偏小，解决办法：实验中测量反馈电阻时没有与电路断开，当有万用表测量反馈电阻时相当于反馈电阻与电路并联，故实测值比理论值偏小，需断开与电路的联系重新测量实验总结。
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
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
21
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
16
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
2019/7/10
《电子技术基础》 差动放大电路
20
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
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´
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－+ +
uo
UR
R
－+ +
uo
ui R1 R2
ui R1 R2
没加参考电压的 上行迟滞比较器
加上参考电压后的 上行迟滞比较器
§3
窗口比较器
电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成
设R1 =R2，则：
VL = (V CC 2 V D ) R 2 R1 R 2 1 2 (V CC 2 V D )
U R1 R1 R2 U om U L
参考电压由 输出电压决定
UH
R1 R1 R2
U om
UL
R1 R1 R2
U om
ui
R
－+ +
R1 R2
uo
传输特性： uo
Uom
UL
UH
0
-Uom
u
当ui 增加到UH时，输出 由Uom跳变到-Uom；
当ui 减小到UL时，输出 由-Uom跳变到Uom 。
当uo 重新回到＋UOM 以后，电路又进入另一个 周期性的变化。
–
uc C R1
uc
+
R
－+ +
UH 0 UL
t
uo
uo
R2
输出波形：
UOM
0
- UOM T
t
实际运放
由于工艺问题，实际运放达不到理想运放的性能。
以下方面是运放的重要指标，据此选择运放。
1，失调电压及其漂移
由于实际运放内部电路元件不完全对称， 输入端短路时输出电压不为零。
uo
t
-Uom
§2 施密特触发器－迟滞比较器
特点：电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。
1. 没加参考电压的下 行迟滞比较器
分析
1. 因为有正反馈，所以 输出饱和。 2. 当uo正饱和时(uo Fra bibliotek+UOM)
U R1 R1 R2 U om U H
ui
R
－+ +
R1 U+ R2
uo
3. 当uo负饱和时(uo =–UOM)
§1 简单电压比较器
一、若ui从同相端输入 ui UR
+
–
+
uo
+Uom
uo 0
-Uom
UR
ui
UR：参考电压 ui ：被比较信号
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
+Uom
UR
+
R
－+ + R2
uo
UR
UR
H
uo
Uom
R1
UL
R1 R1 R 2
U om
R2 R1 R 2
UR
UL
UH
0
-Uom
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 0
UR R1 R2
t
根据传输特性画输出波形图
ui
10V 5V 2V 0
门限电压：
UH R1 R1 R 2 U om R2 R1 R 2 U R 10 V
t
uo
+UOM
UL
R1 R1 R 2
U om
R2 R1 R 2
U R 2V
t
0
-UOM
3、上行迟滞比较器
V H = V L 2V D
当vI＞VH时，vO1为高电平，D3 导通；vO2 为低 电平, D4截止，vO= vO1。 当vI＜ VL时，vO2为高 电平，D4导通；vO1为低 电平，D3截止，vO= vO2 当VH ＞vI＞ VL时， vO1为低电平，vO2为低电 平，D3 、D4 截止，vO 为 为低电平。
4，饱和电压和电流
实际饱和输出比正、负电源电压小1～2V。 （晶体管导通电压） 实际输出电流有一个最大值限制，超过则 过流保护，防止烧坏。
5，转换速率
反映运放对大信号阶跃输入电压的响应能力。
运放的转换速率应大于输入信号的变化率。
作业
3-3 3-5 3-9 3-12 3-15
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。
分别称UH和UL上下门限电压。称(UH - UL)为回差或门限宽度。
例：下行迟滞比较器的 输入为正弦波时， 画出输出的波形。
ui
UH
UL
t
ui
R
－+ +
R1 R2
uo
ui
Uom
t
-Uom
2. 加上参考电压后的下行迟滞比较器 ui 加上参考电压后的上下限：
U R1 R1 R 2 U om R2 R1 R 2
§4 方波发生器
一、电路结构
– uc + R －+ + R2
C R1 上下门
限电压：
uo
下行的迟滞比较器， 输出经积分电路再 输入到此比较器的 反相输入端。
R1 R1 R 2
U
H
R1 R1 R 2
U om
U
L
U om
二、工作原理
– uc C R1 R2 + R
uc
U+H
－+ +
折合为输入端的等效电压，Uoo Uoo随温度变化，称为失调电压的漂移。
2，偏置和失调电流
由于实际运放内部电路元件不完全对称， 两个输入端具有很小、不等的直流电流。 两个输入电流的平均值 称为 偏置电流 IB 差 称为 输入失调电流 IIO 偏置电流、失调电流也随温度变化。
3，共模抑制比
差模信号 共模信号
uo
uo
UOM
0
t
1. 设 uo = + UOM
则：u+=UH
-UOM
0
t
此时，输出给C 充电 Uc上升到UH时，uo下翻。 uo 立即由＋UOM 变成－UOM
2. 当uo = -UOM 时，
u+=UL
此时，C 经输出端放电。
–
uc C R1
+
R
－+ +
uc
UH
uo UL
t
R2
uc降到UL时，uo上翻。
运放的非线性应用电路－ 比较器
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。 确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。
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。
+
ui
uo
-Uom
0
UR
ui
当ui < UR时 , uo = +Uom
当ui >UR时 , uo = -Uom
三、过零比较器: (UR =0时) ui
+
uo
+
+UOM
uo
0 -UOM uo
ui
+
+
+UOM
ui
uo
0 -UOM
ui
例：利用电压比较器将正 弦波变为方波。
ui t
ui
+
+
uo
+Uom