-集成运放的非线性应用
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。
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
（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
+VCC vI
（1）过零比较器
+ -
A -VEE
vO
可以认为
vI >0 时， vOmax = VOH= +VCC vI <0 时， vOmax = VOL=-VEE
（同相过零比较器）
vI =0 称为门限电压或阈值电压Vth
+VCC vI + A -VEE vO
输入为正负对称的正弦波 时，输出为方波。
2. 加法电路
实例1
vS2 vS1
i2 R2 i1
R1
if
iI
N P – +
Rf vO
根据虚短、虚断和N点的 KCL得：
vN vP 0
vS1 - v N vS2 - v N v N - v O R1 R2 Rf Rf Rf - vO vS1 vS 2 若 R1 R2 Rf 则有 - vO vS1 vS 2 R1 R2 （加法运算） 输出再接一级反相电路 可得 vO vS1 vS 2
（二）同相双门限电压比较器
VP Vi
R2 R1 VO 0 R1 R2 R1 R2
Vi R2 R1VO 0
R1 2 Vi VO VO R2 10
上限阈值电压： th 2 R1 VO 2 (6) 1.2V V
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。
第6章 集成运算放大器的非线性应用
uo
解决措施
t
采用滞回 比较器
0
干扰引起系 统误动作
滞回电压比较器（ ） 滞回电压比较器（2）
反相滞回比较器 运放工作于正反馈状态 结构特点： 结构特点： 比较信号加入反向输入端
ui UR
R1
Δ ∞ + + ∆
u0
R2
分析过程： 分析过程： +UOM 第一步： 由运放非线性工 u = 第一步： o 作特点， 作特点，有 -UOM 第二步： 由电路求u 第二步： 由电路求 +与u(1) 对图示电路，有 对图示电路， u-=ui
t
0 -UOM
滞回电压比较器（ ） 滞回电压比较器（6）
UR
R3
同相滞回比较器
ui
Δ ∞ + + ∆
R
u0
结构特点： 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 u-=UR
R1 R2
± UZ
(1) 阈值计算 对图示电路， 对图示电路，有 用叠加原理求u 用叠加原理求 +
uo单独作用 ui单独作用
滞回比较器， 滞回比较器，输出经积分电路再 输入到此比较器的反相输入端。 输入到此比较器的反相输入端。
R1 + R2 R1 U th1 = UR + UZ R2 R2
当uo=+UZ时， u+2=u-=UR、Uth=ui，即
U +2
所以
R1 R2 = (+U Z ) + U th 2 = U R R1 + R2 R1 + R2
U th 2 R1 + R2 R1 = U R + (−U Z ) R2 R2
集成运放的非线性应用-PPT精品文档
R R f R 2 2 U U U ; U U U ; TH R Z TH R Z R R R R R R R R 2 f 2 f 2 f 2 f 2 R 2 （与参考电压无关） U U U U T TH TH Z R R 2 f
R f
回差电压
一、过零比较器
1、反相过零比较器 R
电压传输特性
ui
R'
+
uO
uO UOH 0 UOL ui
u 0 ; u ui ; ui 0 : u U u u O OL u U ui 0 : u u O OH
阈值电压： U TH 0
根据虚断： i i 0
+UZ -UZ
说明U＋有两种取值，
令 u u ，可以求出两个不同的 阈值电压。
上限阈值电压、下限阈值电压和回差电压：
if UR R2 + Rf
u
R0
Rf R2 Rf
UR
+
uO
R2 UO R2 R f
+UZ -UZ
ui R1
反相迟滞比较器
ui 很小时，输出 U U ; O Z U ui 很大时，输出 U O Z; 电路状态发生跳变， 当 u 时， u
R f
ui R1
反相迟滞比较器
R 2 U U U ; TH R Z R R R R 2 f 2 f
R f
uO
+UZ UTH+ui
-UZ
2 R 2 U U U U T TH TH Z R R 2 f
UTH- 0
传输特性
求阈值电压、电压传输特性？ 同相迟滞比较器
集成运放的非线性应用47929页PPT文档
所需输入电压的值，而迟滞比较器的灵敏度等于两个
阈值电压之差值。因而，迟滞比较器的抗干扰能力强。
（4）响应时间：输出电压发生跳变所需的时间称
之为响应时间。
13
5．电压比较器的分析方法
按理想情况分析
若U-＞U+ 则UO=-UOM； 若U-＜U+ 则UO=+UOM。
只有当U-=U+时，输出状 态才发生跳变；反之，若输出
UR ui
+
当ui < UR时 , uo = +Uom
+ uo 当ui > UR时 , uo = -Uom
uo
+Uom
0
-Uom
ui
UR
17
电压 比较器
二、零电平比较器: 当UR =0时 uo
ui
+
+ uo
+UOM
0
ui
+
+ uo ui
-UOM uo
+UOM
0
ui
-UOM
18
电压
比较器
例题：利用电压比较器 将正弦波变为方波。
外围电路有非线性元件—— -UZ
稳压二极管。
6
*另一种形式的限幅器：双向稳压管接于负反馈回路上。
反向D比Z 例
运算电路
当稳压管RRF1不u通i ，U 运Z 时放，工双作向在
RF
线性状态。
ui
R1
–
+A +
uo
uo
RF R1
ui
当向稳压RRF1管u的i 作U 用Z 时下，，在双
uoU Z或uo U Z
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
模拟电子技术实验-集成运算放大器的非线性应用电路
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CCV+87651234OE IN-IN+CCV-LM311OCBAL/STRB BAL图1 741Aμ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iu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iu电压波形，通道2测量输出ou端的矩形波波形如图3所示。
其中稳压管VS选取：“DIODE”→“ZENER”→“1N5233B”iuou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HT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 11000 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 ”-++81R iu ou 2R FR 3R 10k Ω10k Ω100k Ω5.1k ΩVS图4 反相滞回比较器仿真电路图截图：2) i u 接频率为1kHz ，峰峰值为2V 的正弦信号，观察并截取输入i u 和输出o u 的波形。
要求示波器的通道1接输入电压波形，通道2接输出电压波形。
模拟电子技术单元14-2：集成运放的非线性应用
2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uO＝f(uI)
电压传输特性的三个要素：
（1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UT
（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向
二、集成运放的应用--电压比较 器
3. 几种常用的电压比较器
（1）单限比较器：只有一个阈值电压
设 uI＞+UT，则 uN＞ uP， uO＝－UZ。此时uP＝ －UT， 减小 uI，直至－UT，再减小， uO才从－UZ跃变为+UZ。
二、集成运放的应用—滞回比较器
讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性
向左右移多少？
1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？
2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？
3. 若要改变输入电压 过 阈值电压时输出电 压的 跃变方向，则应 如何修 改电路？
改变输出 限幅电路
二、集成运放的应用—窗口比较器
uI U RH uI URL
U OM U OM U OM U OM
当uI>URH时，uO1=－ uO2= UOM，D1导通，D2截 止； uO= UZ。 当uI<URL时，uO2=－ uO1= UOM，D2导通，D1截 止； uO= UZ 。 当URL<uI< URH时， uO1= uO2= －UOM，D1、D2均截 止； uO= 0。
二、集成运放的应用—单限比较器
2. 一般单限比较器
uN
R2 R1 R2
U REF
R1 R1 R2
uI
令uN uP 0，得
U O U Z
作用于反相输入端
UT
R2 R1
U REF
第四节 集成运放的非线性应用
第四节 集成运放的非线性应用一、集成运放非线性应用的重要结论运放电路在开环或正反馈的情况下，工作在非线性区。
由图3-3-2可见，此时输出电压只有两个值：1．当u P>u N时，u o=+U o（sat）；2．当u P<u N时，u o=－U o（sat）；运放工作在非线性区时，u P≠u N，“虚短”已不再成立，但仍然有i P=i N=0，即“虚断”仍然成立。
这是集成运放非线性应用的重要结论，也是非线性应用电路的分析要领之所在。
二、信号处理电路集成运放不仅可以对信号进行运算，还可以对信号进行处理，包括信号的滤波、比较与选择、采样与保持等。
其中，电压比较器为典型的集成运放非线性应用电路。
电压比较器常用于超限报警、模数转换以及非正弦波产生等电路。
它将输入电压与参电压的幅度进行比较，并由输出电压反映所比较的结果。
集成运放用作比较器时，常工作于开环状态，只要输入电压与参考电压不相等（即使是微小的差别），输出就立即饱和。
为了改善输入、输出特性，可在电路中引入正反馈。
因此，电压比较器可分为单值比较器和滞回比较器两类。
1．单值电压比较器图3-4-1所示是一个简单的单值电压比较器电路及其传输特性图。
图中，运放的同相输入端接参考电压U REF，反相输入端接输入电压u i。
运放处于开环工作状态，当u i>U REF时，输出电压u o=－U o（sat）；当u i<U REF时，输出电压u o=+U o（sat）。
特别地，若运放的同相输入端接地，则参考电压为U REF=0V，这时的电压比较器称为过零比较器。
当过零比较器的输入信号u i为正弦波时，输出电压为正负宽度相同的矩形波，如仿真电路及输出波形3-4-2所示。
由于比较器中的运放输入端u P ≠u N ，为了避免净输入过大损坏运放，在输入端可串接电阻或并联二极管。
另外，为适应后级电路需要，减小输出电压，可在输出电路中采用稳压管限幅，如图3-4-3所示。
集成运放的非线性应用
（1）放大电路 （2）正反馈网络 （3）选频网络 （4）稳幅环节
3.正弦波信号振荡电路的分类
根据选频网络构成元件的不同，可把 正弦信号振荡电路分为如下几类：选频网 络若由RC元件组成，则称RC振荡电路； 选频网络若由LC元件组成，则称LC振荡电 路；选频网络若由石英晶体构成，则称为 石英晶体振荡器
由于比较器的输出只有高、低电平两 种状态，故其中的运放常工作在非线性区。 从电路结构来看，运放常处于开环状态或 加入正反馈。
根据比较器的传输特性不同，可分为 单限比较器、滞回比较器及双限比较器等。
5.1.1 单限比较器
单限比较器是指只有一个门限电压的比较器。
图5.1单限比较器电路和其传输特性
比较器输出电压由一种状态跳变为另 一种状态时，所对应的输入电压通常称为 阈值电压或门限电压，用UTH 表示。可见， 这种单限比较器的阈值电压UTH=UR。 若UR=0，即运放反相输入端接地，则 比较器的阈值电压UTH=0。这种单限比较 器也称为过零比较器。利用过零比较器可 以将正弦波变为方波，输入、输出波形如 图5.2所示。
如果有意识地使C的充电和放电时间
常数造成显著的差别，则在电容两端的电
压波形就是锯齿波。图5.8是利用一个滞回
比较器和一个反相积分器组成频率可调节
的锯齿波发生电路。
图5.8 频率和幅度均可调节的锯齿波发生电路
5.3 正弦波信号振荡电路
5.3.1 正弦波信号振荡电路的基本概念
1.正弦波信号振荡电路的产生条件
5.3.4 石英晶体振荡电路 1.石英晶体的基本特性和等效电路
天然的石英是六菱形晶体，其化学成分是二 氧化硅(SiO2)。石英晶体具有非常稳定的物理和 化学性能。从一块石英晶体上按一定的方位角切 割，得到的薄片称“晶片”。晶片通常是矩形， 也有正方形。在晶片两个对应的表面用真空喷涂 或用其他方法涂敷上一层银膜，在两层银膜上分 别引出两个电极，再用金属壳或玻璃壳封装起来， 就构成了一个石英晶体谐振器。它是晶体振荡器 的核心元件。
2.5 集成运放的非线性应用
过零比较器 Ui 波形 UO 波形 阈值电压 传输特性
3.滞回电压比较器 按图 5.2.5.2 接成滞回电压比较器。用示波器观察比较器的传输特性曲线及波形。用函数发生 器从输入端加入 2V/1kHZ 的三角波信号，示波器的 CH1 和 CH2 分别接比较器的输入端和输出端， 适当调节 CH1 和 CH2 通道的量程，将观察到的现象记录到表 5.2.5.2 中。
表 5.2.5.2 滞回电压比较器 滞回电压比较器 Ui 波形 UO 波形 阈值电压 传输特性
3
（二）扩展实验内容及步骤 1.根据仿真确定的电路和器件进行电路连线，构成满足要求的电路。 2.选择合适的仪器进行电路测试。 3.对各电路列出合适的表格，选定合适的输入电压，测量输出电压的大小或波形。 （1）基准电压为 2V 的电压比较器。 （选定合适的输入电压，测量输出电压的波形，画出传输 特性） 。 （2）滞回比较器。 （选定合适的输入电压，测量输出电压的波形，画出传输特性） 。 （3）既能产生矩形波又能产生三角波的电路。 （用示波器观察其波形，并测试其频率）改变哪 个元件，可以改变其波形频率，调整并计算。 （4）产生锯齿波的电路。 （用示波器观察其波形，并测试其频率）改变哪个元件，可以改变其 波形频率，调整并计算。
三、基本实验条件
（一） 仪器仪表 1.双路稳压电源 2.数字万用表 3.示波器 4.函数发生器 （二） 器材器件 1．集成运算放大器（建议：LM324） 2.定值电阻器 3.电容器 4.双向稳压管（建议：6V） 5.二极管 6.1001台 1 台 1 台
1 块 若干 1只 1只 2只 ∞ +
二、实验任务
（一） 基本实验任务 1. 利用运算放大器组成过零电压比较器，测量其输入输出的关系。 2. 利用运算放大器组成滞回电压比较器，测量其输入输出的关系。 3. 测量过零电压比较器和滞回电压比较器的传输特性。 （二）扩展实验任务 1.用运算放大器构成一个基准电压为 2V 的电压比较器。 2.用运算放大器构成一个迟滞比较器。 3.用运算放大器构成一个既能产生矩形波又能产生三角波的电路。 （建议电容选用 0.01F） 4.用运算放大器构成能产生锯齿波的电路。 （建议电容选用 0.01F）
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。
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《电子技术基础》 差动放大电路
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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
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《电子技术基础》 差动放大电路
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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´
集成运放的非线性应用
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Ru 0(b) 传输特性曲线 u i模拟电子技术实验根据“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Ui>0 Uo=-UzUi<0 Uo=+UzUi=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ui为一正弦波时（或任何周期性非正弦波），其输出uo则为一矩形波，如图2.4.3所示。
很显然，这一变换只有在Um 大于Uth1及时才能发生，否则uo将始终为UOH或UOL。
此外，当Uth1与Uth2的绝对值相等时（对于图2.4.1的电路而言），uo为对称的矩形波，否则uo 为不对称的矩形波。
OHthURRRU2121+=OLthURRRU2122+=2thU(a) 过零比较器(b) 传输特性曲线U iU0图2.4.24、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。
集成运算放大器及应用—集成运放的非线性应用(电子技术课件)
(a)反相输入
(b)同相输入
图3.3.9 输入保护电路
(3)输出保护 利用稳压管V1和V2接成反向串联电路。若输出端出现过高电压，集成运放输
出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。
由于大部分集成运放内部电路的改进，已不需要外加补偿网络。
3.保护电路 (1)电源极性的保护 利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造成的损坏。当
电源极性错接成上负下正时，两二极管均不导通，等于电源断路，从而起 到保护作用。
图3.3.8 电源极性保护电路
(2)输入保护 利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏
由图可见，他们之间存在差值称为回差电 压或迟滞宽度u，用 表示，即：
图3.3.7 滞回电压比较器的传输特性
u Uth1 Uth2
三、集成运放使用常识 1.零点调整 方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。 2.消除自激振荡 方法：加阻容补偿网络。具体参数和接法可查阅使用说明书。目前，
滞回比较器具有两个不同的阈值，且相差较大（通常称我电压 滞回特性），即惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。
（1）滞回电压比较器中的阈值电压
图3.3.6 滞回电压比较器
当 uo U om 时，集成运放同相
输入端的电位为：
u
R1 R1 R2
F
Uth1
（2）滞回电压比较器中的阈值电压
图3.3.6 滞回电压比较器
当 uo U om 时，集成运放同相输入端
的电位为：
u
西电-电子线路实验-集成运放非线性应用
集成运放非线性应用及其在波形产生方面的实验一、实验目的1. 学会在集成运算放大器实现波形变换及波形产生。
二、实验所用仪器设备1. 测量仪器。
2. 模拟电路通用实验板（内含集成电路插座，电阻，电容等）。
3. 电子电路实验箱（F007两只）。
4. 6V稳压二极管两只（2CW7E）。
三、实验内容及要求1. 基本命题（1）设计一个正弦信号发生器，要求f0=5kHz±10%。
（2）设计一个单运放方波信号发生器，要求f0=500Hz±10%，输出幅度U PP为12V。
（3）设计一个占空比可调的单运放信号发生器，要求f0=2kHz±10%，输出幅度U PP为12V，占空比在40%~70%内可调。
根据以上实验任务设计线路，并用计算机仿真。
据计算机仿真实验结果，先在模拟通用实验板上搭建电路，调试达到设计要求。
2.扩展命题（1）设计一个双运放方波一三角波发生器，要求输出频率f0=2kHz±10％，三角波输出幅度Vpp大于3V。
（2）设计一个双运放锯齿波信号发生器，要求输出频率f0=2kHz±10％，输出幅度Vpp 大于6V。
四、实验说明及思路提示1.基本命题（1）正弦信号发生器正弦信号发生器如图1所示，图中R1，R2，C1和C2组成的文氏桥作为选频网络构成正反馈支路，R3, R P和R4构成负反馈支路。
R P用来调整负反馈的深度，以满足起针条件和改善波形。
利用二极管D1，D2正向导通电阻的非线性自动调节电路的闭环放大倍数，以稳定波形的幅度。
图1 正弦信号发生器当R1=R2=R，C1=C2=C时，电路的振荡频率为f0=12πRC（1）根据起振条件，负反馈电阻R FR3≥2，（2）式中：R F——负反馈支路电阻。
（2）方波与占空比可调的矩形波发生器图2（a）所示，它是一个单运放组成的方波信号发生器，A1通过其中R1与R F组成正反馈的迟滞比较器，运放同端的输入电压为u+=R1R1+R Fu o（3）电阻R P和电容C组成定时电路。
电子技术-集成运算放大器非线性应用
－uo ∞
＋＋
uo
UR为参考电压
当ui > UR时 , uo = +Uom
当ui Uom
<
UR时uo,
uo = -
+Uo
m
0
ui
-Uom
1、单门限电压比较器
单门限电压比较器只 有一个门限电平，当输
i1 R1
∞ －
入电压达到此门限值时 ，输出状态立即发生跳 变。
ui
R2
UR
＋ ＋
u0
u0 ＋U0M
0 UR
2、消振
通常是外接RC消振电路或消振电容，用它来破坏产生自激
门限电平值
ui －U0M
电压比较器广泛应用于模/数 接口、电平检测及波形变换等领 域中。
应用实例
利用电压比较器可以把正弦波变换成方波。
ui
ui
∞
－ ＋
u0
＋
0
t
UR=0 由于门限电压等于0，因此
为过零电压比较器。
u0
＋UCM
输入电压只要到达门限电
压值，输出电压即可发生 跳变。
0
t
－UCM
2、滞回比较器
放大电路引入负 反馈后，对电路 的工作性能带来 什么改善？
什么叫反馈？正反馈 和负反馈对电路的影响
有何不同？ ？
放大电路输入信号 本身就是一个已产 生了失真的信号， 引入负反馈后能否 使失真消除？
上述问题希望课后认真归纳总结
3.4 运放的选择、使用和保护
1、选用元件
根据实际要来选用运算放大器。如测量放大器的输人信号 微弱，因此第一级应选用高输入电阻、高共模抑制比、高开 环电压放大倍数、低失调电压及低温度漂移的运算放大器。 选好后，根据管脚图和符号图连接外部电路，包括电源、外 接偏置电阻、消振电路及调零电路等。
-集成运放的非线性应用
Δuth=Uth1-Uth2
反相滞回比较器-带参考电压
ui
R1
滞回比较器接入参考电压：主要是 阀值电压发生了改变
分析过程： +UOM 第一步： 由运放非线性工 u = o 作特点，有 -UOM 第二步： 由电路求u+与u(1) 对图示电路，有 u-=ui
UR
Δ ∞ + +
u0
R2
当u+>u当u+<u-
3-4
集成运算放大器的非线性应用
一、 运放非线性应用的条件和分析特点
二、 电压比较电路
单限电压比较器 滞回电压比较器
三、 非正弦波发生电路 矩形波发生电路 三角波发生电路
锯齿波发生电路
一、运放非线性应用的条件与特点
+U
运放工作在非线性状态的条件 在图示运放电路中，有 uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui
UR=0
R1
运放工作于开环状态 结构特点： 参考电压UR=0 分析方法： 由运放非线性工 uo= 第一步： 作特点，有
ui
Δ ∞ + +
u0
R2
+UOM -UOM
当u+>u当u+<u-
对图示电路，有u+=ui 、u-=0 第二步：由电路求u+与u第三步： 求阈值，得出比较器的传输特性 uo 因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=0，所 以 Uth=ui=0 +UOM 当ui>0 比较器的传输特性 uo= -UOM 当ui<0
t
ui
U th2
R1 R2 (U Z ) U REF 3V R1 R2 R1 R2
集成运放的非线性应用课件
合理匹配输入和输出阻抗，减小信号的反射和损耗，提高集成运放的 效率。
降低噪声
选用低噪声器件
选用低噪声的器件可以降低集成运放内部的热噪声和散射噪声。
优化版图设计
优化集成运放的版图设计，减小寄生效应和耦合噪声。
噪声抑制技术
采用适当的噪声抑制技术，如滤波器、隔离变压器等，减小外部 噪声的干扰。
05
温度和老化测试
对电路进行温度和老化测 试，以确保电路在不同环 境和时间下的稳定性和可 靠性。
04
集成运放非线性的优化
减小失真
输入信号范围
01
集成运放的非线性失真主要来源于输入信号过大，因此减小失
真需要限制输入信号的范围，避免进入饱和区。
负反馈
02
通过引入负反馈，可以减小集成运放的非线性失真，提高信号
信号的检测与测量
总结词
集成运放非线性应用在信号检测与测量中，可以实现信号的检测、比较、阈值 判断和频率测量等功能，提高信号测量的准确性和可靠性。
详细描述
集成运放非线性应用在信号检测与测量中，利用其非线性特性，可以实现信号 的检测、比较、阈值判断和频率测量等功能。这些功能可以提高信号测量的准 确性和可靠性，使得信号处理更加可靠和准确。
雷达信号处理
要点一
总结词
集成运放非线性在雷达信号处理中应用广泛，能够实现雷 达信号的压缩、解调、滤波等效果。
要点二
详细描述
在雷达信号处理中，集成运放非线性可以用于实现雷达信 号的压缩和解调，通过对雷达回波信号进行非线性放大和 调制，实现对雷达回波信号的处理和分析。此外，集成运 放非线性还可以用于实现雷达信号的滤波效果，通过对雷 达回波信号进行非线性滤波处理，提取出有用的信号信息 和特征，用于实现雷达探测和目标识别的应用。
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uo
因为当u+=u-时输出发生跳变
Uth=ui=UR
比较器的传输特性 uo=
-UZ 当ui>UR +UZ 当ui<UR
UR
0
ui
-UZ
滞回电压比较器
缺点 优点 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。
uo 0
解决措施 采用滞回 比较器
t
干扰引起系 统误动作
电压比较器的分类： 单限比较器 滞回比较器
过零电压比较器
UR=0
R1
-Δ ∞
运放工作于开环状态
+ +
u0
结构特点：
ui
R2
参考电压UR=0 分析方法：
第一步：由运作放特非点线，性有工 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
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
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
比较信号 电压
参考电压
输出电压
ui
电 压
+UOM
UR
比 较
uo =
-UOM
电压比较器的阈值： 当ui＝UR时，输出发生跳变， 故UR被称为阀值电压。
其传输特性如图所示
+U
ui1 ui2 uo(V)
-Δ A
+
+
uo
-U
结论：在开环与正反馈条件 下，运放工作在非线性区。
非性区
0
ui(mV)
非性区
线性区
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 +UOM 当u+>u-
uo= -UOM 当u+<u-
)
注意：对于不同的输出值，U+有两个取值
U
R2 R2 R3
(UOM )
ui
R1
-Δ ∞
+ +
u0
R2
第三步： 求阈值
R3
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
U th1
U 1
R2 R2 R3
U OM
当uo=-UOM时， u+2=u-=ui=Uth2，即
二、工作原理:
（1）阈值电压计算：
R1
Δ
-Δ ∞
R4
u0
C
+ UC
U+ +
+
-
R2 R3
±UZ
U th1
R2 R3 R2
UZ
U th 2
U th2
U2
R2 R2 R3
(U OM
)
R3 R2 R3
UR
注意：Uth1>Uth2
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。
解：
U
R1 R1 R2
(U Z )
R2 R1 R2
U REF
ui
U th1
R1 R1 R2
U
R2 R2 R3
(UOM )
R2
R3
R3
U
R
ui
R1 -Δ ∞
+ +
u0
UR R2
第三步： 求阈值
R3
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
U th1
U 1
R2 R2 R3
U OM
R3 R2 R3
UR
当uo=-UOM时， u+2=u-=ui=Uth2，即
uo
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 -UOM
当ui>0 当ui<0
0
ui
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
R1
-Δ ∞
+
+
ui
R2
u0
uo
+ UOM
uo
t
- UO0M
0
ui
ui>0
ui<0
uo=UOM uo=-UOM
Uth2<ui<+∞时，uo=-UOM ui=Uth2时，跳变，uo=+UOM
ui<Uth2时，uo=+UOM，阈值为Uth1
R1
-Δ ∞
+ +
u0
R2
Ru3o +UOM
Uth2
0
Uth1 ui
-UOM
定义：回差电压 Δuth=Uth1-Uth2
反相滞回比较器-带参考电压
ui
R1
-Δ ∞
滞回比较器接入参考电压：主要是 阀值电压发生了改变
反相滞回比较器
ui
R1
-Δ ∞
结构特点： 运放工作于正反馈状态
+ +
u0
比较信号加入反向输入端
R2
分析过程：
第一步：
由运放非线性工 作特点，有
uo=
第二步： 由电路求u+与u-
+UOM 当u+>u- R3 -UOM 当u+<u-
(1) 对图示电路，有 u-=ui
(2) 求u+
U
R2 R2 R3
(U OM
3-4 集成运算放大器的非线性应用
一、 运放非线性应用的条件和分析特点
二、 电压比较电路
单限电压比较器 滞回电压比较器
三、 非正弦波发生电路
矩形波发生电路 三角波发生电路 锯齿波发生电路
一、运放非线性应用的条件与特点
➢运放工作在非线性状态的条件 在图示运放电路中，有 uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui
UZ
R2 R1 R2
U REF
8V
t
U th2
R1 R1 R2
(U Z )
R2 R1 R2
U REF
3V
ui
8V
3V
U th1
R1 R1 R2
UZ
R2 R1 R2
UR
8V
U th 2
R1 R1 R2
(U Z )
R2 R1 R2
UR
3V
uo
矩形波发生电路
一、电路结构:
滞回比较器 + R1C负反馈网络
+
+
UR
R2
u0
分析过程：
第一步：
由运放非线性工 作特点，有
uo=
第二步： 由电路求u+与u-
+UOM 当u+>u- R3 -UOM 当u+<u-
(1) 对图示电路，有 u-=ui
(2) 用叠加原理求u+
uo单独作用
U
R2 R2 R3
(U OM
)
R3 R2 R3
UR
UR单独作用
注意：对于不同的输出值，U+有两个取值
单限电压比较器
任意电压比较器
UR≠0 ui
运放工作于开环状态
R1
-Δ ∞ R
+
+
u0
结构特点： 参考电压UR≠0
UR
R2
±UZ
分析方法：
+UZ 当u+>u-
第一步：由运作放特非点线，性有工 uo=
-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
U th2
U2
R2 R2 R3
(UOM )
注意：Uth1>Uth2
ui
第四步： 分析传输特性 （1）ui由-∞逐渐增大
ui=-∞时，uo=+UOM，阈值为Uth1 -∞<ui<Uth1时，uo=+UOM ui=Uth1时，跳变，uo=-UOM ui>Uth1时，uo=-UOM，阈值为Uth2
（2）ui由+∞逐渐减小 ui=+∞时，uo=-UOM，阈值为Uth2