第6章 集成运放的非线性应用

第6章集成运算放大器的非线性应用§6.1运放非线性应用的条件和分析特点§6.2电压比较电路§6.3非正弦波形发生电路单限电压比较器滞回电压比较器矩形波发生电路三角波发生电路锯齿波发生电路运放非线性应用的条件与特点（1）++-ui1ui2uoA+U-U在图示运放电路中，有uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui0ui(mV)uo(V)其传输特性如图所示线性区非性区非性区结论：在开环与正反馈条件下，运放工作在非线性区。运放工作在非线性状态的条件Δ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uo=+UOM当u+u--UOM当u+u-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{end}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电压比较uiURuo参考电压比较信号电压输出电压=+UOM-UOM电压比较器的阈值：指ui与UR比较时，使输出发生跳变时的ui值。电压比较器的分类：单限比较器滞回比较器窗口比较器三态比较器单限电压比较器（2）过零电压比较器++-∞R1R2uiu0结构特点：运放工作于开环状态参考电压UR=0UR=0分析方法：第一步：由运放非线性工作特点，有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当ui0-UOM当ui00uiuoΔ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0tuoui0uo=UOMui0uo=-UOM+UOM-UOM++-∞R1R2uiu00uiuoΔ单限电压比较器（4）传输特性uo=+UZ当ui0-UZ当ui0R有何作用？带限幅的过零电压比较器++-∞R1R2uiu0R±UZ'ouui0+UOM-UOM'ouuoui0+UZ-UZΔ单限电压比较器（5）任意电压比较器结构特点：运放工作于开环状态参考电压UR≠0UR≠0分析方法：第一步：由运放非线性工作特点，有uo=+UZ当u+u--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因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=UR，所以Uth=ui=UR比较器的传输特性uo=-UZ当uiUR+UZ当uiUR++-∞R1R2uiu0R±UZURui0uoUR+UZ-UZΔ单限电压比较器（6）改变参考电压，可实现占空比可调的矩形波0tuouiURuo=UZuiURuo=-UZURuiURuo=UZ+UZ-UZ++-∞R1R2uiu0R±UZURui0uoUR+UZ-UZ'RUΔ单限电压比较器（7）iiuuRRRRRRu5.05.13例：有一电压比较器如图所示，试求阈值电压、并作传输特性。++-∞RR/2uiu0R±UZR+3V解：（1）由非线性工作特点，有uo=+UZ当u+u--UZ当u+u-（2）由电路求u+与u-对图示电路，有u+=0（3）求阈值，得出比较器的传输特性因为当u+=u-时输出发生跳变，此时:1.5+0.5ui=0，所以Uth=ui=-3VΔ单限电压比较器（8）{end}比较器的传输特性uo=-UZ当ui-3V+UZ当ui-3Vui0uo-3V+UZ-UZ++-∞RR/2uiu0R±UZR+3VUth=ui=-3V当ui-3V时UUZoUu当ui-3V时UUZoUuΔ滞回电压比较器（1）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。优点缺点0tuo干扰引起系统误动作解决措施采用滞回比较器滞回电压比较器（2）反相滞回比较器++-∞R1R2URu0uiR3结构特点：运放工作于正反馈状态比较信号加入反相输入端分析过程：第一步：由运放非线性工作特点，有uo=+UOM当u+u--UOM当u+u-第二步：由电路求u+与u-(1)对图示电路，有u-=ui(2)用叠加原理求u+ROMURRRURRRU323322)(uo单独作用UR单独作用注意：对于不同的输出值，U+有两个取值Δ滞回电压比较器（3）ROMthURRRURRRUU32332211第三步：求阈值因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=Uth，所以当uo=+UOM时，u+1=u-=ui=Uth1，即当uo=-UOM时，u+2=u-=ui=Uth2，即ROMthURRRURRRUU32332222)(注意：Uth1Uth2ROMURRRURRRU323322)(++-∞R1R2URu0uiR3Δ滞回电压比较器（4）第四步：分析传输特性（1）ui由-∞逐渐增大ui=-∞时，uo=+UOM，阈值为Uth1-∞uiUth1时，uo=+UOMui=Uth1时，跳变，uo=-UOM0uiuouiUth1时，uo=-UOM，阈值为Uth2Uth1+UOM-UOM（2）ui由+∞逐渐减小ui=+∞时，uo=-UOM，阈值为Uth2Uth2ui+∞时，uo=-UOMui=Uth2时，跳变，uo=+UOMuiUth2时，uo=+UOM，阈值为Uth1Uth2定义：回差电压Δuth=Uth1-Uth2++-∞R1R2URu0uiR3Δ滞回电压比较器（5）0tuo回差电压越大，比较器抗干扰能力越强。Uth1Uth2+UOM-UOM只要干扰大小在回差以内，电路不受影响0uiuoUth1+UOM-UOMUth2滞回电压比较器（6）同相滞回比较器++-∞R3R1uiu0R±UZURR2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(1)阈值计算对图示电路，有u-=UR用叠加原理求u+iZuRRRURRRU212211)(uo单独作用ui单独作用注意：对于不同的输出值，U+有两个取值Δ滞回电压比较器（7）ZRthURRURRRU212211RthZUURRRURRRU12122111)(当uo=-UZ时，u+1=u-=UR、Uth=ui，即RthZUURRRURRRU22122112)(所以当uo=+UZ时，u+2=u-=UR、Uth=ui，即所以)(212212ZRthURRURRRU++-∞R3R1uiu0R±UZURR2iZuRRRURRRU212211)(Δ滞回电压比较器（8）(2)分析传输特性ui由-∞逐渐增大ui=-∞时，uo=-UZ，阈值为Uth1-∞uiUth1时，uo=-UZui=Uth1时，跳变，uo=+UZ0uiuouiUth1时，uo=+UZ，阈值为Uth2Uth1+UZ-UZ（2）ui由+∞逐渐减小ui=+∞时，uo=+UZ，阈值为Uth2Uth2ui+∞时，uo=+UZui=Uth2时，跳变，uo=-UZuiUth2时，uo=-UZ，阈值为Uth1Uth2++-∞R3R1uiu0R±UZURR2Δ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。滞回电压比较器（9）uit解：REFZURRRURRRU212211)(V82122111REFZthURRRURRRU1221212()2VthZREFRRUUURRRRV82122111RZthURRRURRRU1221212()2VthZRRRUUURRRR2V8Vuiuo{end}滞回电压比较器（10）2V矩形波发生电路(1)++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-一、电路结构:滞回比较器+R1C负反馈网络二、工作原理:（1）阈值电压计算：Z2321thURRRUZ2322thURRRU（2）波形发生过程分析：1.设uo=+UZ,此时，输出给C充电!则：u+=Uth1tuoUZ-UZUth1uct一旦ucUth1,就有u-u+,在ucUth1时，u-u+;uo保持+UZ不变；uo立即由＋UZ变成－UZ++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-矩形波发生电路(2)此时，C经输出端放电。2.当uo=-UZ时，u+=Uth2uc降到Uth2时，uo上翻。Uth1uctUth2++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-矩形波发生电路(3)tuoUZ-UZ0Uth1uctUth2UZuo0t-UZT输出波形：矩形波发生电路(4)++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-矩形波发生电路(5)++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-矩形波发生器各部分的作用：RC电路：起反馈和延迟作用，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。滞回比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。三、周期与频率的计算CRtZth2Zc1)eU(UU(t)uf=1/T)21ln(2321RRCRTCRtZth1Zc1)eU(UU(t)uuc上升阶段表示式:uc下降阶段表示式:uc0Uth1tUth2T1T2CRTZth2Zth112)eU(UUUCRTZth1Zth211)eU(UUU)21ln(32121RRCRTTZ322th2th1URRRUU矩形波发生电路(6){end}三角波发生电路(1)反向积分电路方波发生器电路一：方波发生器方波积分电路三角波－++RR1R2C+uc-++RR2Cuo此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。dtuRCuoo11－++RR1R2C+uc-++RR2Cuouo1uo三角波的周期由矩形波发生器确定，其幅值也由周期T和参数R、C决定。0uo1tUom-Uom三角波发生电路(2)三角波发生电路(3)_++Δ∞R3u01R4R1Δ±UZR’++-Δ∞R2C-R’’-u02+Δ＋uC电路二：特点：由滞回比较器和反相积分器级联构成，滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又作为滞回比较器的输入。滞回比较器反向积分电路uoui0UZ-UZUth1Uth2滞回比较器回顾:Z211thURRUZ212thURRU阈值电压：++-∞R‘R1uiu0R±UZR2三角波发生电路(4))(211212ZiURRRuRRRU)(ZoUU)(ZoUUΔ回顾:反相积分器dtuCR1ui2oui-++R2R’Cuoui=-Uui=+Utuo0+Uom-Uom三角波发生电路(5)Zo1Z31th1-UuURRU,Zo1Z31th2Uu,URRU00uo1t＋UZ－UZuo2tUth1Uth22121oouudtRC_++Δ∞R3u01R4R1Δ±UZR’++-Δ∞R2C-R’’-u02+Δ＋uC三角波发生电路(6)周期和频率的计算：tuoUth1Uth2TCRR4Rf213321RCRR4TT1T221021)(1ththTZUUdtUCR120221ththTZUUdtUCRTTT5.021ZTZURRdtUCR315.00221_++Δ∞R3u01R4R1Δ±UZR’++-Δ∞R2C-R’’-u02+Δ＋uCuot改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使充放电的时间常数不等，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。couuuct锯齿波发生电路-－++R3R1++R’’CuoR22+–R’R4R21{end}