集成运放的非线性应用
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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
R
u 0
(b) 传输特性曲线
u i
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
U
i
>0 Uo=-Uz
U
i
<0 Uo=+Uz
U
i
=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u
i
为一正弦波时（或
任何周期性非正弦波），其输出u
o
则为一矩形波，如图2.4.3所示。很显然，这一
变换只有在U
m 大于U
th1
及时才能发生，否则u
o
将始终为U
OH
或U
OL
。此外，当
U th1与U
th2
的绝对值相等时（对于图2.4.1的电路而言），u
o
为对称的矩形波，否则
u o 为不对称的矩形波。
OH
th
U
R
R
R
U
2
1
2
1+
=OL
th
U
R
R
R
U
2
1
2
2+
=
2
th
U
(a) 过零比较器(b) 传输特性曲线
U i
U0
图2.4.2
137
138
4、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。该电路是由一个滞回电压比较器和一个R f C 负反馈网络构成。当电容C 在U OH 的作用下正向充电到U th1时，u o 由U OH 跳变至U OL 。此后C 放电（在U OL 的作用下反向充电），当C 两端电压降至U th2时，u o 将由U OL 跳变至U OH 。如此周而复始，形成自激振荡，在C 上产生一个近似的三角波，而在输出端产生一个对称的方波。
图2.4.3 （正弦波—方波）波形变换波形图
T
U U u u i U U U m
t 1
t 2
t 3
t 1
t 2
t 3
图2.4.4
(a)（三角波—方波）发生电路电路图 (b) （三角波—方波）发生电路波形图
0 图 u i T t 1
t 2 U OL U U U u C
u o
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该电路的振荡频率与周期为:
三、实验设备
1、模拟电路实验箱 一套
2、函数发生器 一台
3、双踪示波器 一台
4、数字万用表 一块
5、晶体管毫伏表 一块
四、实验任务及步骤
1、过零比较器
⑴ 按实验电路图2.4.2(a)连线，确认无误，可接通电源。 ⑵ 外加正直流电压，从零开始逐渐加大，测量对应的输出电压。 ⑶ 再外加负直流电压，重复上一步，记录测试数据。 将以上测试数据填入自拟表格中，并画出相应的波形。
2、波形变换电路
按实验电路图 2.4.1连线，从运放的反向输入端加一个正弦信号u i ，（f=100Hz 、幅值为6V 的正弦波,由函数发生器输出），用双踪示波器同时观察u i 和u o 的波形，并用示波器测出U OH 、U OL 、U im 、U th1、及周期T 。记录下此时的波形及数据（自拟记录表）。改变u i 的幅值，观察u o 波形的变化情况。
3、三角波—方波发生电路
按实验电路图2.4.4（a ）连线，用双踪示波器同时观察u c 及u o 的波形，并测
)
21ln(211
2R R C R f
T f +
==
出此时的U
OH 、U
OL
、U
im
、U
th1
、及T，再断开电源及R
f
支路，用数字万用表测出此时
的R
f 、R
1
和R
2
值。将以上测试数据填入自拟表格中，并画出相应的波形。
4、自行设计一个占空比可调的矩形发生电路,并用实验验证之。
五、注意事项
1.注意仪器的共地点，即所有仪器的接地线应连接在一点上。
2.运放±12电源已由THM-4模拟电路实验箱提供。
六、实验报告要求
1．简要说明滞回电压比较器的工作原理、计算U
th1、U
th2
的理论值。
2．计算波形变换电路中u
o
的周期T的理论值，并与实验结果比较。
3．根据给定参数，计算波形发生电路中u
o
的频率与幅值的理论值，并与实验结果比较。
4．写出实验的心得体会。
七、思考题
1．在波形变换电路中，方波的幅值与频率由哪些参数决定？
2．在波形变换电路中，当输入的正弦波幅值不同时，u
o
的脉宽为何相同？当ui的幅值为何值时，输出端将不出现方波信号？
3．在波形发生电路中，u
c
的波形由哪种性质的曲线组成？若要获得较理想的三角波输出，则电路参数应作何改进？
4．波形变换及波形发生电路中，为什么理论计算值与实测值之间存在误差？其主要原因是什么？
5．同相输出的滞回电压比较器与反相滞回电压比较器的区别是什么？画出同
相输出的滞回电压比较器的电路和传输特性曲线，并写出U
th1、U
th2
的计算公式。
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非线性电路的应用——混沌电路
非线性电路的应用——混沌电路 摘要 本文给出了一种含有由两个运算放大器组成的非线性负电阻的蔡氏混沌电路，如图一所示。利用非线性电阻电路，设计了如图二所示的非线性伏安特性曲线。图二即为在示波器中得到的伏安特性曲线。在实现图二的伏安特性曲线的基础上，设计了图三所示的混沌电路。使用示波器，连续改变混沌电路的敏感参数（如图中的可变电阻由2K欧姆逐渐减小到零），得到了各种情况下的涡旋现象，得到双涡旋到大极限环变化时的参数，从理论分析与仿真实验两个角度分别研究蔡氏电路的混沌行为，研究结果表明在相同的混沌行为预期下，仿真实验与理论分析结论十分吻合，仿真实验能准确地观测到混沌吸引子的行为特征．通过利用Mutisim7.0进行仿真，观察到由直流平衡态经周期倍增分岔到Hopf分岔形成类似于Rossler吸引子，然后再过渡到双涡卷状的蔡氏吸引子大极限环的全过程。 关键词 蔡氏电路；非线性伏安特性曲线；Mutisim7.0仿真；双涡卷混沌吸引子；倍周期分岔 引言 蔡式电路是美国贝克莱大学的蔡少棠教授设计的能产生混沌行为的最简的一种自治电路。该典型电路并不唯一。蔡式电路在非线性系统及混沌研究中，占有极为严重的地位。 许多非线性动力系统的特性曲线不是跟踪简单、有规则和可预测的轨线，而是围绕像随机且似乎不规则但是明确的形式滑动。只要有关的过程是非线性的，甚至简单的严格确定性的模型可能发展这样复杂的行为。这行为被理解或接受为混沌，而且它已经导致非线性科学和动力系统工程的惊人发展。 混沌理论是近年来国际上兴起的新理论，它广泛应用于电路系统，并具有很强的抽象性，不容易被接受．本文通过对一种含由两个运算放大器组成的非线性电阻的RLC电路混沌现象实验分析，让人们从感性上更加清晰地了解混沌现象产生的机理，熟悉混沌现象产生的条件，掌握电路中混沌状态的基本规律，使人们对电路中的混沌现象具有更具体、更形象的认识。 正文 电路中存在混沌现象已经是在理论和实验中证明了的不争的事实。在传统的电路理论中，通常将电路划分为线性电路和非线性电路两大类。从严格意义上来讲，线性电路是不存在的，它仅仅是在特定的工作点附近呈现出所谓的“线性”特征，一旦电路的外部条件或内部参数发生变化使其偏离工作点（有时仅仅是微小的偏离），电路的线性特征将会大大地削弱，如发生信号波形失真、电路出现“噪声过量”等现象。非线性是所有电气电路、电子电路具有的固有特性。 混沌科学的发展，不仅大大拓宽了人们的视野，并加深了人们对客观世界的认识，而且由于混沌的奇异特性，尤其是对初始条件微小变化的高度敏感性及
集成运放的线性应用实验报告
、实验目的 1、掌握运放的线性工作区特点； 2、理解运放主要参数的意义； 3、掌握运放电路线性区分析测试方法； 4、掌握运算放大电路设计方法； 5、掌握半波整流电路分析设计方法； 二、实验仪器 1. 多功能函数发生器1 台 2. 数字示波器1 台 3. 数字万用表1 台 4. 模拟电子技术实验训练箱1 台 三、实验电路 反向电压放大器电路 电压跟随器电路
加法器电路积分器电路 半波整流器电路 四、工作原理 集成运放是高增益的直流放大器。若在它的输出端和输入端之间加上反馈网络，则可以实现不同的电路功能。例如，施加线性负反馈，可以实现放大功能以及加、减、微分、积分等模拟运算功能，施加非线性负反馈，可以实现对数、乘、除等模拟运算功能以及非线性变换功能；施加线性或非线性反馈，或将正、负两反馈结合，可以实现产生
加法器电路积分器电路各种模拟信号
的功能。在使用集成运放时，要特别注意下列两个共性问题。首先，在输出信号中含有直流分量的应用场合下，必须考虑“调零”问题。第二，是相位补偿问题，不能让运算放大器产生自激现象，保证运放的稳定正常工作。此外, 为了见效 输入级偏置电流引起的误差，一般要求同相端和反相端到地直流电阻相等——保持输入端直流平衡。 五、实验内容与步骤 1、电压跟随器按图电路接线，输入信号由同相端引入，测取Vi ，Vo，探究 其关系。 2、反向电压放大器 按图电路接线，输入信号由反向端引入，测取Vi 、Vo，探究其有什么关系。
3、加法器 按如图电路接线。加入输入信号。然后分别给Vi1 、Vi2 两个电压值，并测Vi1 、Vi2 、Vo，分析其关系。 4、积分器 按电路接线输入方波信号，f=100-1000Hz ，用示波器观察Vo，并记录之。 5、半波整流电路 按图接线。输入信号为正弦波，f=100-1000Hz, 用示波器观察 Vo 的波形，并记录之
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
运算放大器的非线性应用
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 (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： 第三节 集成运放的线性应用 一、集成运放的理想化条件 在分析集成运放组成的各种电路时，将实际的集成运放作为理想运放来处理，并分清其工作状态是十分重要的。 1．集成运算的理想化条件 理想的集成运放应满足以下各项性能指标： （1）开环差模电压放大倍数A od =∞； （2）输入电阻R id =∞； （3）输出电阻R o =0； （4）共模抑制比K CMR =∞； 尽管真正的理想运放并不存在，但由于实际集成运放的各项性能指标与理想运放非常接近，因此在实际操作中，往往都将实际运放理想化，以使分析过程简化。 理想运放的图形符号如图3-3-1所示。它有同相和反相两个输入端以及一个输出端。反相输入端标“－”，同相输入端和输出端标“+”，它们的对“地”电压（即电位）分别用u N 、u P 和u O 表示。“∞”表示开环电压放大倍数的理想化条件。 2．集成运放的传输特性 传输特性是表示集成运放输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，如图3-3-1中曲线1所示。图中，BC 段为线性区，输出电压u O 与差模输入电压正比，即 u o =A od (u P －u N ) （3-15） 一般集成运放的A od 值很大，即使输入毫伏级以下的电压，也足以使输出电压饱和，其饱和值+U o （sat ）和－U o （sat ）接近正、负电源电压值，如图3-3-1中的AB 和CD 段所示，称为非线性区（饱和区）。 集成运放的线性区很小， 曲线2为理想运放的传输特性，此时BC 段与u O 轴重合。实际应用中，为扩大线性区，集成运算放大电路大都接有深度负反馈电路。 运放在线性区的分析要领有两条： 1）同相输入端电位等于反相输入端电位。即u P =u N 。但同相输入端和反相输入端 并没有真正短路，因此称为“虚短”。 2）同相输入端和反相输入端电流为零。即i P =i N =0。但两个输入端并没有真正断开， 电力系统应用非线性设备的谐波评估 更新时间: 2006-12-28 华北电力科学研究院许遐 摘自<<电力系统装备>>杂志 1概述 供电公司有责任向用户提供电压质量合格的电能。而电网和用户使用设备中的非线性装置产生的谐波都可以引起供电电压发生畸变；直接与电力系统连接的非线性设备产生的谐波可以引起供电电压畸变；供电系统参数在某些条件下可能形成系统谐振，也可以引起供电电压发生畸变。为使整个电网电压畸变保持在合适的限值X围内，供电公司和用户必须相互协作，各自承担相应的责任和义务，国家标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》提供了供电公司和用户双方必须共同遵守的法规。 谐波畸变是电力系统中描述电能质量的众多参数中重要的一种，它直接影响到供电公司提供的电能质量。执行GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定的谐波畸变限值是供电公司能够提供并使所有用户都能得到质量合格的电能的惟一措施。通过对每个用户控制其注入谐波电流限值和控制整个电力系统的谐振条件，供电公司才能将全网电压畸变率保持在所有用户都可以接受的水平。 1.1谐波电压的监控 GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》中规定了各个不同电压等级的电压畸变率限值。其作用在于：一方面用作考核供电公司提供用户电能质量的一种质量指标；另一方面可用作电网公司和电力用户评估新建输供电工程的设计规划指标。供电系统谐波电压畸变率是电力系统阻抗和非线性负载注入系统谐波电 流的函数，工程实际中很容易被测量，在工程实施中配套设计谐波补偿装置时也方便评估。如果电压畸变率超过国家标准规定的限值，供电公司和用户就可能要一起研究系统中设备运行的问题。供电公司需要仔细研究电力系统具体结构参数及所要采取的补偿措施。而用户在装设配电设备和谐波滤波及无功补偿装置时，也必须考虑投用该装置引起的供电系统电压畸变率。谐波滤波及无功补偿器与配电设备必须在规定的供电系统电压畸变率限值下安全运行。 1.2谐波电流的监控 供电系统谐波电压是注入系统的谐波电流和系统阻抗的乘积。任何供电系统，在谐波电压畸变率超过规定的限值之前，只能容许承受注入有限的谐波电流。谐波电流畸变限值主要是用在供电系统向多个用户供电的公共连接点处，公平地分配有限的注入供电系统谐波电流允许值的一种措施。GB/T 14549-1993中规定的注入谐波电流允许值考虑了用户之间用电协议容量的相对大小以及用户与所连供电系统的最小方式下三相短路容量。 在已有的系统中，电流畸变率受系统阻抗影响不显著，主要由负载设备的特性所确定，在公共连接点处用有效的商用监测装置可方便地检测到。在用户设备中存在多个产生谐波的负载时，用户注入的谐波电流之和通常要考虑各个谐波负载之间存在一定程度的抵消作用。因此，在公共连接点处检测到的谐波电流远小于用户各单个谐波负载的谐波电流代数和。 在设计新的项目或扩建已有的工程时，采用GB/T 14549-1993规定的注入谐波电流允许值指标，对于化解供电公司和用户之间特殊的矛盾是非常有用的。通过了解用户设备中产生谐波的负载类型，可以预估谐波电流畸变的水平，并在设计阶段就能决定是否需要采用谐波控制措施。对于新报装用户内部产生的谐波问 第六章运放的非线性应用讲义 发表时间：2008-6-2 集成运放工作非线性区域时，其稳态输出值只能有两个值：最大输出电压＋U OM与最 小输出电压－U OM。对应的电路结构或为开环，或为正反馈。 第一节电压比较器 电压比较器用于比较输入电压和参考电压的大小。用于测量、控制以及波形发生等方 面。 当运放为非线性应用时。其电路结构一般处于开环状态，有时为了提高在状态转换时的速度，在电路中引入正反馈。 根据比较器的传输特性来分类，常用的比较器有过零比较器、单限比较器、双限比较器以及滞回比较器等。 一、过零比较器 最简单的一种比较器，画反相比较电路图及电压传输特性曲线。 当u I<0时，u O＝＋U OM； 当u I>0时，u O＝－U OM。 只有当输入电压u I近似等于零的很小范围内，运放才处于线性放大状态，输出电压u O＝A u·u I。――理想运放的线性区＝0 ·阈值电压或门限电压：使比较器输出电压突变所对应的输入电压。 上述比较器的门限电压等于零，故称为过零比较器。 ·同相输入方式 画出同相输入比较器电路图及电压传输特性。 ·输出电压的限幅问题： 比较器的输出电压值应与后级兼容，常采取限幅措施――两种电路 ①普通型，其中电阻R为限流电阻。Uo=±U Z。 ②将稳压管接在输出端与反相输入端之间，如图6-1-3所示。 说明：两种电路的不同点，前者运放是处于开环状态，运放工作在非线性区。而后者运放因稳压管击穿后引入一个深度负反馈，因此本质上运放是工作在线性工作区，但是由于运放的输出值仅为±U Z，并不随u I而改变（当u I＞0或u I＜0时），与非线性应用的情况相符，故将此类电路并入运放的非线性应用中研究。 二、单限比较器 单限比较器是指有一个门限电平，当输入信号等于此门限电平时，比较器的输出端的状态立即发生跳变。单限比较器可用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定的电平。 图6-1-4所示为一种单限比较器。可以看出此电路是在图6-1-2所示过零比较器的基础上，在同相端接入一参考电压U REF 而得到的。 图6-1-4单限比较器（1） （a）电路（b）电压传输特性 由图可见当输入电压u I＜U REF时，u O＝＋U Z，当u I＞U REF时，u O＝－U Z，故门限电压为U REF。 组成单限比较器的电路可以有多种，图6-1-5所示电路为另一种单限比较器。电路中输入电压u I与参考电压U REF接到运放的反相输入端。运放的同相输入端接地。 实训九 集成运放的线性应用 内容一 集成运放的反相、同相比例运算电路 一、实训目的 1.掌握集成运算放大器的使用方法。 2.了解集成运放构成反相比例、同相比例运算电路的工作原理。 3.掌握集成运放反相比例、同相比例运算电路的测试方法。 二、实训测试原理 1. 反相放大电路 电路如图（1）所示。输入信号U i 通过电阻R 1加到集成运放的反相输入端，输出信号通过反馈电阻R f 反送到运放的反相输入端，构成电压并联负反馈。 根据“虚断”概念，即i N =i p ，由于R 2接地， 所以同相端电位U p =0。又根据“虚短”概念可知，U N =U p ，则U N =U p =0，反相端电位也为零。但反相端又不是接地点，所以N 点又称“虚地”。则有 f 1i i =,1i = 1i R U ,f i =-f 0R U 则0U =-1 f R R i U 。 运放的同相输入端经电阻R 2接地,R 2叫平衡电阻，其大小为R 2=R 1∥R f 。 图（1） 反相放大电路 图（2） 同相放大电路 图（3） 电压跟随器 2. 同相放大电路 电路如图（2）所示。输入信号U i 通过平衡电阻R 2加到集成运放的同相输入端，输出信号通过反馈电阻R f 反送到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈。根据“虚断”与“虚短”的概念，有N P i U U U ==，i N =i P =0；则得i 1f 0)1(U R U +=若1R =∞,0f =R ,则i 0U U =即为电压跟随器，如图（3）。 三、实训仪器设备 1.直流稳压电源 2.万用表 3.示波器 四、实训器材 1. 集成块μA741(HA17741) 2. 电阻10KΩ×2 100KΩ×2 2 KΩ×2 3. 电位器1KΩ×1 五、实训电路 图（3）反相比例运算实训电路 图（4）同相比例运算实训电路 六、测试步骤及内容 1. 反相比例运算实训 运算放大器应用电路的设计与制作 (一） 运算放大器 1.原理 运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。 图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示 图1是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性部分。如图2所示。U -对应的端子为“-”，当输入U -单独加于该端子时，输出电压与输入电压U -反相，故称它为反相输入端。U +对应的端子为“＋”，当输入U +单独由该端加入时，输出电压与U +同相，故称它为同相输入端。 输出：U 0= A(U +-U -) ； A 称为运算放大器的开环增益（开环电压放大倍数）。 在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到:开环电压增益A ud =∞；输入阻抗r i =∞；输出阻抗r o =0；带宽f BW =∞；失调与漂移均为零等理想化参数。 2.理想运放在线性应用时的两个重要特性 输出电压U O 与输入电压之间满足关系式：U O ＝A ud （U +－U －）,由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。即U +≈U －，称为“虚短”。 由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 3. 运算放大器的应用 (1)比例电路 所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路，比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。 (a) 反向比例电路 反向比例电路如图3所示，输入信号加入反相输入端: 图3反向比例电路电路图 对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为： 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻 R ’＝R 1 // R F 。 输出电压U 0与输入电压U i 称比例关系，方向相反，改变比例系数，即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。 (b) 同向比例电路 同向比例电路如图4所示，跟反向比例电路本质上差不多，除了同向接地的一段是反向输入端: i 1 f O U R R U - = 集成运放的非线性应用（电压比较器、波形产生与变换）一选择题： 1、欲将方波电压转换为三角波电压，应选用（A ）电路。 A.积分运算B、乘方运算C．同相比例运算 D.反相比例运算电路 2、在RC桥式正弦波振荡电路中，当满足相位起振条件时，则其中电压放大电路的放大倍数必须满足（ D ）才能起振。 A A u= 1 B A u= 3 C A u＜3 D A u＞3 3、振荡电路的幅度特性和反馈特性如图1所示，通常振荡幅度应稳定在（ C ）。 A.O 点 B. A 点 C. B 点 D. C 点 4、迟滞比较器有2个门限电压，因此在输入电压从足够低逐渐增大到足够高的 过程中，其输出状态将发生（A ）次跃变。 A. 1 B. 2 C. 3 D. 0 5、某LC振荡电路的振荡频率为o f＝100 kHz，如将LC选频网络中的电容C增大一倍，则振荡频率约为 ( C ) A．200kHz B．140kHz C. 70kHz D.50kHz 6、若想制作一频率非常稳定的测试用信号源，应选用（ D ）。 A. RC桥式正弦波振荡电路 B. 电感三点式正弦波振荡电路 C. 电容三点式正弦波振荡电路 D. 石英晶体正弦波振荡电路 7、电路如图3所示，欲使该电路能起振，则应该采取的措施是（ C ）。 A.改用电流放大系数β较小的晶体管 B.减少反馈线圈L1的匝数 C.适当增大L值或减小C值 D.减少L2的匝数 L 图3 A.基本放大器 B.反馈网络 C.选频网络 D.稳幅电路 9、RC 桥式正弦波振荡电路由两部分电路组成,即RC 串并联选频网络和（ ）。 A. 基本共射放大电路 B.基本共集放大电路 C. 反相比例运算电路 D.同相比例运算电路 10、迟滞比较器有2个门限电压，因此在输入电压从足够低逐渐增大到足够高的过程中，其输出状态将发生（ A ）次跃变。 A. 1 B. 2 C. 3 D. 0 11、一个正弦波振荡器的反馈系数F =∠? 15180，若该振 荡器能够维持稳定振荡， 则开环电压放大倍数A u 必须等于（ C ）。 A.15 360∠? B.150∠? C.5180∠-? D.°05∠ 12、工作在电压比较器中的运放与工作在运算电路中的运放的主要区别是，前者的运放通常工作在（ ）。 A.开环或正反馈状态 B.深度负反馈状态 C.放大状态 D.线性工作状态 13、某LC 振荡电路的振荡频率为Z kH f 1000=，如果将LC 选频网络中的电容C 增大一倍，则振荡频率约为（ C ）。 A.Z kH f 2000= B.Z kH f 1400= C.Z kH f 700= D.Z kH f 500= 14、产生低频正弦波一般可用（ ）振荡电路。 A.英晶体 B.LC C.RC D. 以上都不可以 15、已知某电路输入电压和输出电压的波形如图所示,该电路可能是（ ）。 A.积分运算电路 B.微分运算电路 C.过零比较器 D.滞回比较器 二、填空题： 1 、正弦波振荡电路当稳幅振荡时，其幅值平衡条件是 ，相位平衡条件是 ，当电路起振时，其幅值条件是 。 u I u o 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 CC V + 8765 1234 OE IN - IN +CC V - LM311 OC BAL/ STRB BAL 图1 741 A μ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 i u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 i u电压波形，通道2测量 输出 o u端的矩形波波形如图3所示。其中稳压管VS选取：“DIODE”→“ZENER”→“1N5233B” i u o u 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 H T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 1 1000 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 ” 实验四 集成运算放大器的线性应用 请思考两个问题 一、集成运放的性能特点及使用 2.使用集成运放时需要注意的问题 ⑴调零 由于集成运放存在着失调量的影响，使得电路的输出误差较大， 严重时会使电路无法正常工作。调零是为了消除失调误差，确保集 成运放直流闭环工作后，输入为零时输出也为零；集成运放用于交 流电路时，调零可以消除失调量对动态范围的影响。 ⑵相位补偿 集成运放是由多级放大器组成，存在若干分布参数，若将其构成 深度负反馈，可能会在某些频率上附加相移达到180°，以至产生自 激振荡，使电路无法正常工作。所以，必须在运放的规定引脚端引 进相位补偿网络，以抵消分布参数的影响。但有些集成运放在其内 部电路中已经进行了相位补偿处理，使用时无需再外接补偿电路。 姓名班级学号台号 日期节次成绩教师签字 集成运算放大器非线性应用电路 一．实验目的 二．实验仪器名称及型号 三．实验内容 （1）电压比较器 1）按图一所示接好电路。 2）由函数信号发生器调出1000Hz，电压幅值为5V的正弦交流电压加至u i端。 3）按表1改变直流信号源输入U，用示波器测量输出电压u0的矩形波波形，如图二所示。 4）按表1调节U的大小，用示波器观察矩形波波形的变化，测量T H 和T的数值，并计入表1。 表格1 电压比较器的测量 （2）滞回比较器 1）按图3所示电路选择电路元件，接好电路。 2）由函数信号发生器调出1000Hz，电压幅值为5V的三角波电压加至u i端。 3）按表2改变直流信号源输入U端，用示波器测量输出电 压u0的矩形波波形，如图4所示。 4）按表2改变U的大小，用示波器观察输出矩形波波形的变化，测量T H和T的数值。 5）用示波器观察输出矩形波波形的变化，测量输出u0又负电压跃变为正电压时的u i瞬时值u i+和u0由正电压跃变为负电压时u i瞬时值u i-，计入表2中。 表格2 滞回比较器的测量 （3）反向滞回比较器电路 1）按图5所示电路选择电路元件，接好电路。 2）u i接直流信号源，改变直流电压信号，测出输出电压u0由正电压跃变为负电压时u i的临界值。 3）测出u0由负电压跃变为正电压时的u i临界值。 4）u i接频率为1000Hz，峰峰值为2V的正弦信号，观察并记录输入u i和输出u0的波形。 5）增加u i的幅值，并将双踪示波器改为X-Y方式显示，测量并记录传输特性曲线。 6）将电阻R f由100kΩ改为200kΩ，重复测量并记录传输特性曲线，说明滞回特性曲线和元件值之间的关系。 实验一 集成运算放大器的线性应用 (4学时) 一、 实验目的 1．了解运算放大器的特性和基本运算电路的组成； 2． 掌握运算电路的参数计算和性能测试方法。 二、 实验仪器及器件 1．双踪示波器； 2．直流稳压电源； 3．函数信号发生器； 4．数字电路实验箱或实验电路板； 5．数字万用表； 6．集成电路芯片uA741 2块、电容0.01uF2个、电阻10k 10个、20k 5个、30k 2个、50k 2个、100k 2个、5.1k 1个、3.3k 1个、680k 1个，10k 电位器3个。 三、 预习要求 1．熟悉集成电路芯片uA741的引脚图及功能； 2．掌握集成运放的工作特点； 3．掌握构各种运算电路的形式及工作原理。 四、实验原理 （1）集成运放简介 集成电路运算放大器（简称集成运放或运放）是一个集成的高增益直接耦合放大器，通过外接反馈网络可构成各种运算放大电路和其它应用电路。集成运放uA741的电路符号及引脚图如图1所示。 图1 uA741电路符号及引脚图 任何一个集成运放都有两个输入端，一个输出端以及正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端等。 （a ）电源端：通常由正、负双电源供电，典型电源电压为±15V 、 ±12V 等。如：uA741的7脚和4脚。 （b ）输出端：只有一个输出端。在输出端和地（正、负电源公共端）之间获得输出电压。如：uA741的6脚。最大输出电压受运放所接电源的电压大小限制，一般比电源电压低1～2V ；输出电压的正负也受电源极性的限制；在允许输出电流条件下，负载变化时输出电压几乎不变。这表明集成运放的输出电阻很小，带负载能力较强。 （c ）输入端：分别为同相输入端和反相输入端。如：uA741的3脚和2脚。输入端有两个参数需要注意：最大差模输入电压V id max 和最大共模输入电压V ic max 。 调零 V - V + -V cc 调零 +V cc NC V O 一、实验目的 1、掌握运放的线性工作区特点； 2、理解运放主要参数的意义； 3、掌握运放电路线性区分析测试方法； 4、掌握运算放大电路设计方法； 5、掌握半波整流电路分析设计方法； 二、实验仪器 1. 多功能函数发生器 1台 2. 数字示波器 1台 3. 数字万用表 1台 4. 模拟电子技术实验训练箱 1台 三、实验电路 电压跟随器电路反向电压放大器电路 加法器电路积分器电路 半波整流器电路 四、工作原理 集成运放是高增益的直流放大器。若在它的输出端和输入端之间加上反馈网络，则可以实现不同的电路功能。例如，施加线性负反馈，可以实现放大功能以及加、减、微分、积分等模拟运算功能，施加非线性负反馈，可以实现对数、乘、除等模拟运算功能以及非线性变换功能；施加线性或非线性反馈，或将正、负两反馈结合，可以实现产生各种模拟信号 的功能。在使用集成运放时，要特别注意下列两个共性问题。首先，在输出信号中含有直流分量的应用场合下，必须考虑“调零”问题。第二，是相位补偿问题，不能让运算放大器产生自激现象，保证运放的稳定正常工作。此外,为了见效输入级偏置电流引起的误差，一般要求同相端和反相端到地直流电阻相等——保持输入端直流平衡。 五、实验内容与步骤 1、电压跟随器 按图电路接线，输入信号由同相端引入，测取Vi，V o，探究其关系。 2、反向电压放大器 按图电路接线，输入信号由反向端引入，测取Vi、V o，探究其有什么关系。 3、加法器 按如图电路接线。加入输入信号。然后分别给Vi1、Vi2两个电压值，并测Vi1、Vi2、V o，分析其关系。 4、积分器 按电路接线输入方波信号，f=100-1000Hz，用示波器观察V o，并记录之。 5、半波整流电路 按图接线。输入信号为正弦波，f=100-1000Hz,用示波器观察V o的波形，并记录之。 集成运放非线性运用 一、实验目的： 1、掌握集成运放组成的电压比较器的原理 2、掌握几种电压比较器电路的调试与测量方法 二、实验器材： 1、低频信号发生器 2、晶体管毫伏表 3、双踪示波器 4、数字万用表 5、运算放大器、电阻等其它元器件 三、实验原理： 运算放大器的输出端与输入端之间开环或接成正反馈，则构成了运放的非线性运用，即当V P>V N时，输出正的最大值；当V P 四、实验步骤： 1、过零电压比较器： （1）按图1连接电路。R 1=R 2=10k ，运放型号为358，接±12V 电源电压。输入端v i 接入频率为100Hz ，有效值为1V 的正弦波；用示波器观察输入输出波形，并在示波器上测出输出电压值。 （2）在输出端接稳压管，观察波形并目测出输出电压值。 2、任意电压比较器： （1）按图3连接电路，按上述方法观察波形并测输出。 （2）接稳压管，观察波形并测输出。 过零比较器 任意电压比较器 五、实验报告： 1、分析几种波形的特点； 2、掌握过零及任意电压比较器。 v i t v o 1t v o 2 t v i t v o 1t v o 2 t 非线性电路理论及其应用 作者于雷学号 200812301 摘要：随着时代的发展，人们对生活要求的提高，新技术的层出不穷，对电路元器件的要求上已不再是单纯的线性器件，非线性器件应运而生，随之而来的是有关对非线性期间构成电路的分析。本文首先简要介绍有关分析非线性电路方程的建立、解的存在性及有关分析方法，牛顿-拉夫逊发，小信号分析法的基础上，讨论非线性电路理论的有关应用。 关键词：非线性电路理论；非线性理论的应用；人工神经网络 一、简要： 线性电路的特点在于电路中的电路原件的参数不随电路变量（电压、电流、电荷、和磁通链）而变化。如果电路中至少有一个元件的参数与电路变量有关，此电路就称为非线性电路。相应地，参数随电路变量变化的元件则被称为非线性元件。实际上，一切电路严格说来都是非线性的。但是，在工程中往往可以不考虑元件的非线性，而认为它们都是线性的。特别的是对于那些非线性程度较弱的电路元件，采用线性化处理对电路行为不会带来本质上的差异。但是实际上电路中许多非线性元件特性不容忽视，否则就将无法解释电路中发生的现象，或者有时虽无质的方面的意义，但是却有显著的方面的影响。所以，对非线性电路的研究具有很重要的意义。 线性电阻、电容、电感或受控源元件的电路变量之间的关系是线性的。非线性电阻、电容、电感等元件的构成关系则是非线性的。线性电阻电路由线性代数方程组描述；包含动态元件的电路由线性常系数微分方程组描述。非线性电阻电路由非线性代数方程组描述，非线性是不变动态电路由非线性微分方程组描述。若电路含有时变元件时，描述电路的方程将成为时变微分方程或代数方程。因此，研究非线性电路的问题，首先遇到的是包含非线性电路元件的电路方程建立问题，以及非线性代数方程和非线性微分方程的求解问题。 求解非线性代数方程和非线性微分方程一般情况下是相当困难的，大多数情况下不能求出其精确解或解析解。因此，在进行非线性电路分析时，不得不采用某种手段获得其近似解。在较为特殊的情况下，即使获得近似解也不能说明问题，而不得不转向定性性质方面。 非线性科学是当今重大的研究课题，并成为科学发展观的一个重要标志。各学科中均有非线性问题。因此，非线性科学研究已经成为各学科分支共同关心的问题。特别是最近20年来有关非线性问题的研究有了飞跃的发展，形成一系列完整的理论与分析方法。非线性电路理论的研究属于非线性问题研究的一个方面。随着非线性科学研究的不断发展，其研究也取得了长足的进步。非线性电路的各种非线性现象随之也得到了有效的解释。 二、非线性电路的分析方法 1、分段线性化法 非线性电阻的伏安特性往往可以近似地或粗略地用一些直线段来逼近。伏安特性上的每一 实验五 集成运放的线性应用实验 一、实验目的 1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验仪器 模拟电路箱( )、数字万用表( )、双踪示波器( )、信号发生器( )等 三、实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 1、理想运算放大器特性 在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化。满足下列条件的运算放大器称为理想运放： 开环电压增益 ∞=vd A 输入阻抗 ∞=i R 输出阻抗 0=o R 带宽 ∞=BW f 失调与漂移均为零等。 理想运放在线性应用时的两个重要特性： （1）输出电压o U 与输入电压之间满足关系式 )(-+-=U U A U vd o 由于∞=vd A ，而o U 为有限值，因此，0≈--+U U V 。即-+≈U U ，称为“虚短”。 （2）由于∞=i R ，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即0=i I ,称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 2、基本运算电路 （1）反相比例运算电路 电路如图1所示。对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为 i f o U R R U 1 - = 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电12R R =‖f R 。 136 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 R u 0 (b) 传输特性曲线 u i 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 U i >0 Uo=-Uz U i <0 Uo=+Uz U i =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u i 为一正弦波时（或 任何周期性非正弦波），其输出u o 则为一矩形波，如图2.4.3所示。很显然，这一 变换只有在U m 大于U th1 及时才能发生，否则u o 将始终为U OH 或U OL 。此外，当 U th1与U th2 的绝对值相等时（对于图2.4.1的电路而言），u o 为对称的矩形波，否则 u o 为不对称的矩形波。 OH th U R R R U 2 1 2 1+ =OL th U R R R U 2 1 2 2+ = 2 th U (a) 过零比较器(b) 传输特性曲线 U i U0 图2.4.2 137 集成运放的非线性应用（电压比较器、波形产生与变换） 1、 解： (1)所示电路为单限比较器，u O ＝±U Z ＝±8V ， 再求U TH U TH ＝－3V ， 其电压传输特性如图所示。 2、答： 1=? ? F A 振幅平衡条件1=? ? F A 相位平衡条件 ......2,1,02==+k k F A π ?? 3、解： 因为虚断，I L =I 2=U N /R 2 又因为虚短，同相端和反相端的电位相等，所以 6.02 Z 2 P L === R U R u I m A 4、解： （1）消除交越失真。 （2）最大输出功率和效率分别为 % 8.694 πW 162) (CC CES CC L 2 CES CC om ≈-? = =-= V U V R U V P η （3）电压放大倍数为 3.1113.1121 6i omax ≈+=≈=R R A U U A u u R 1＝1k Ω，故R 6至少应取10.3 k Ω。 5、解： （1）根据起振条件 22' W 'W f ＞，＞R R R R +k Ω。 故R W 的下限值为2k Ω。 （2）振荡频率的最大值和最小值分 别为 Hz 145≈)( π21 kHz 6.1≈ π2121min 01max 0C R R f C R f += = 6、解： （1）上“－”下“＋” （2）输出严重失真，几乎为方波。 （3）输出为零。 （4）输出为零。 （5）输出严重失真，几乎为方波。 7、解: 当1RC ω= 时,,0a f o ??== 满足相位平衡条件,可能振荡. (1) 1,f e R R 应满足1 13f e R R + >.振荡频率158.52o Z f H RC π= ≈, （3）电路中f R 可采用负温度系数的电阻. 8、解： (1) 振荡频率为 01RC ωω== 0011592Z f f H ωπ == = (2) 当0ωω=时,m ax 13 F F == ,根据起振条件1AF >,则应有. m ax 1 (1)1f R AF F R =+ >第三节 集成运放的线性应用
电力系统设计应用非线性设备的谐波评估
第六章-运放的非线性应用讲义
集成运放线性应用
运算放大器应用电路的设计与制作(1)
重庆科技学院模电题库2015年最新版集成运放的非线性应用(电压比较器、波形产生与变换)
模拟电子技术实验-集成运算放大器的非线性应用电路
集成运放线性运用
一、集成运放的性能特点及使用 二、实验任务 三、实验操作及相关注意事项
大连理工大学电工电子实验中心
1.在由集成运放组成的各种运算电路中,为什 么要进行调零？ 3.LM741型集成运放的正负电源引脚分别是几 脚？
1.性能特点 ⑴集成运放具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点,在形成 应用电路时，所实现的深负反馈使电路具有性能稳定及频带较宽等方 面的优越性，是分立元件电路所无法比拟的. ⑵利用集成运放可以构成加、减、乘、除、积分、微分等各种模 拟运算电路。 ⑶利用“虚短”和“虚断”的概念分析、设计其线性电路十分方便。设 计者无需考虑集成运放的诸多内部参数，只要利用电路的运算关系， 通过简便的分析计算,就可以确定电路元件的参数。集成运算放大器非线性应用电路
实验一 集成运放线性应用实验2012
集成运放的线性应用实验报告
集成运放非线性运用
非线性电路及其应用
实验5集成运放的线性运用
集成运放的非线性应用
集成运放的非线性应用-答案