第三节 集成运放的非线性应用

第三节集成运放的非线性应用一、电平比较器二、滞回比较器三、非正弦波发生器当u+u-时，uO=+UOM当u+u-时,uO=-UOM（1）uO的值只有两种可能u+≠u-，不存在“虚短”。（2）输入电流等于零0-ii——仍存在“虚断”理想运放工作在非线性区的特点：运放在开环状态或正反馈时处于非线性区。u+–u–uo–UOM+UOMO饱和区非线性应用uiUREF，uo=–UOMuiUREF，uo=+UOM若输入信号接在同相端：若输入信号接在反相端：uiUREF，uo=+UOMuiUREF，uo=–UOM阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。可见，在ui=UREF处输出电压uo发生跃变。uo–++UREFuiR2R1uo++–uiUREFR2R1–UoM+UoMuiuoOUREFP19——图1-18–UoM+UoMuiuoOUREF一、电压比较器（电平比较器）输入信号接在反相端uo++–UREFuiR2R1uitOUREFOuot+UoM–UoMt1t2过零电压比较器——阈值电压等于零利用电压比较器将正弦波变为方波tuiOuo++–uiR2R1UREF=0Ouot+UoM–UoM单值电压比较器：只有一个阈值电压用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，以判断输入信号的大小和极性。电压比较器的用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。一、电压比较器（电平比较器）单值电压比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。二、迟滞电压比较器iuu-REFURRRuRRRu2110212)('0212211mREFURRRURRRU)(''0212211mREFURRRURRRU-P20——图1-19uo－－ui++–R2R1UREF上门限电压+U’：ui逐渐增加时的门限电压。下门限电压–U’’：ui逐渐减小时的门限电压。uiuoO–Uom+UomUT+UT-电压传输特性：当ui增大时，直到uiUT+时（略大），电路发生翻转，uO=UoL。当ui减小时，直到uiUT-时（略小），电路发生翻转，uO=UoH。上门限电压+UT：ui逐渐增加时的门限电压。下门限电压-UT：ui逐渐减小时的门限电压。uiuoO–Uom+UomUT+UT-uiuoO–Uom+UomUT+UT-uitOuI++–uo'R3±UZuoRFR2+UT–UTuoOt+UZ–UZ滞回电压比较器应用举例：输入信号接在反相端uo++–UREFuiR2R1uitOUREFOuot+UoM–UoMt1t2解决办法：采用具有滞回电压比较器。单值电压比较器的抗干扰能力：差。应为高电平错误电平迟滞电压比较器的作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。滞回电压比较器的抗干扰能力：强。uiuoO–Uom+UomUT+UT-作用：产生一定频率、幅值的波形（如正弦波、方波、三角波、锯齿波等）。特点：不用外接输入信号，即有输出信号。三、非正弦波发生器——运放在波形产生方面的应用1、方波产生电路（1）电路组成：RC充放电支路稳压管双向限幅限流电阻uC++–R3DZuoR1R2RfC±UZUT212()TZRUURR212'()ZRUURR212''()ZRUURR-反相输入迟滞比较器、RC充放电电路组成。电容电压uC即是比较器的输入电压，电阻R2两端的电压UT即是比较器的参考电压。P21——1-20（2）工作原理uC++–R3DZuoR1R2RfC±UZUTuCU’时，uo=-UZuCU’’时，uo=+UZ212'()ZRUURR212''()ZRUURR-由于迟滞比较器中正反馈的作用，电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态±UZ。设接通电源瞬间，电路的输出为正饱和值+UZ，则输出电压将向电容充电，U-=UC将不断升高。当U-U’时，电路发生翻转，输出电压变为低电平-UZ。（2）工作原理212()TZZRUUFURRRC充电i–RC放电i+-UZ+UZuCU’’U’t0uOuC++–R3DZuoR1R2RfC±UZUT当电路的输出为-UZ，电容将通过Rf放电，U-=UC将不断下降。当U-U’’时，电路再次发生翻转，输出电压变为高电平UZ。A1：迟滞比较器因u–=0，所以当u+=0时，A1状态改变A2：反相积分电路Cuo1R3UZR2++–R6uoR6R5+–++–A2A1R12、三角波产生电路（1）电路组成：同相输入迟滞比较器、反相积分电路A1：滞回比较器因u-1=0，所以当u+1=0时，A1状态改变输出uo1改变(+UZ跃变到–UZ或–UZ跃变到+UZ)，0o2111o2121uRRRuRRRu当时，即当Z121o12oURRuRRu--同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。（2）工作原理Cuo1R3UZR2++–R6uoR6R5+–++–A2A1R1u+1u-1（2）工作原理Cuo1R3UZR2++–R6uoR6R5+–++–A2A1R1u+1u-1设电源接通时，uO1=+UZ，则电容C充电,同时uO按线性逐渐下降；11551oooutuudtRCRC--当使A1的U+略低于U-＝0时，uO1从+UZ跳变为-UZ，电容C开始放电，uO按线性上升；当使A1的U+略大于零时，uO1从-UZ跳变为+UZ，电容C充电,同时uO按线性逐渐下降。如此周而复始，产生振荡。tOuoZ12URRZ12URR-uo1UZ–UZtOuoZ12URRZ12URR-uo1UZ–UZ（3）工作波形输出峰值：21oZRuURT=T1+T2=2T1=2T2CRRRTf52141CRRRCRUURRTT5125ZZ122122改变电阻R1、R2即可改变三角波的幅值。改变电阻R1、R2和积分常数R5C即可改变三角波的频率。（4）周期与频率TT1T2tOuoZ12URRZ12URR-uo1UZ–UZA1：迟滞比较器A2：反相积分电路uo1R3UZR2++–R6A1R13、锯齿波产生电路（1）电路组成：同相输入迟滞比较器、反相积分电路CuoR6R4+–++–A2R5DCRRRT51212CRRRRRRT54541222R5R4充放电时间常数不同P22——1-21tUZ–UZZ12URRZ12URR-uouo1Ouo（2）工作波形CRRRT51212CRRRRRRT54541222R5R4TT1T2输出峰值：21oZRuUR改变电阻R1、R2和积分常数R5C即可改变三角波的幅值和频率；即幅值和频率不能分别调整。P23——图1-224、三角波产生电路（1）电路组成：积分器、电压比较器、电压比较器uo1R2++–CR1RP1R3R5uo2D2D1R4D3D4uo3R6R7RP2RP3-12V+12VN1N2N3+–++–+集成运放N1为积分器，调节振荡频率；集成运放N2为反相输入电平比较器，输入信号由电压uo1、uo3通过R3、R4提供，当两者大小相等、极性相反时，输出发生翻转，为±0.7的方波；集成运放N3为反相输入电平比较器，输出方波，输出幅值可调。21221mmmUUTCRKU21122mmmUUTCRKU22121mmmUUUKCRT12122mmmUUUKCRT