07.4 集成运算放大器的非线性应用电路.
集成运算放大器非线性应用电路
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。
四，思考题1）滞回比较器与一般的电平比较器有何优点？2）滞回比较器输出电压的上升时间和下降时间与什么因素有关？如何减小上升时间和下降时间？原始数据记录表格 1 电压比较器的测量表格 2 滞回比较器的测量.。
集成运算放大器的 非线性应用实验讲解
1 过零电压比较器
当ui<0时,uo=+(UZ3;UD)
用示波器测量观 察信号的波形
741
用信号发生器 产生1000HZ,2V 的正弦信号
2 迟滞电压比较器
当uo为正 时,VA=U+R2/(R2+Rf)
当ui>VA后,uo由正变负, 此时VA变为-VA.
-5v
3 方波发生器
用示波器观察Uo和Uc的 波形.故测Uo的频率 将Rf2换为30千欧的电阻, 重复以上步骤
步骤一
ui接-5V~+5V直流电压,用万用表直流电压档测uo
步骤二 调节ui,测出由正向饱 和输出电压向反相饱和输出电 压&由反向饱和输出电压向正相 -5v 饱和输出电压过渡的临界值 步骤三 将Rf由100千欧换成 200千欧,重复以上步骤 步骤四 ui接1000Hz,幅值2V 的正弦信号,用示波器观察ui u0波形
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。
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
07.4集成运算放大器的非线性应用电路
R L
2
差模放大倍数
Ad
=
u 0 u id
uo1 uo2 u i1 ui2
u Id
-
i B2
u Od
R L 2-
2uo1
(Rc
// 1 2
RL )
2ui1
RB rbe
Rid=2(RB +rbe)
Rb2
i 2 B2
图3.3.5差分放大电路加差模信号（b)
Rod=2RC
共模抑制比
K CMR
Rb1
+ uI1
-
VBB
Rb2
+ uI2
-
VBB
图 差动放大电路的组成(c)
电路以两只管子集电极电位差 为输出，可克服温度漂移。
差模信号 输入信号uI1和uI2大小相等， 极性相反。
iB1 iB2 , ic1 ic2 uc1 uc2 uo uc1 uc2 2uc1
差动放大电路也称差分放大电路（输入有差别输出才有变化量）。
共模信号的输入使两管集
电极电压有相同的变化。
iB1 iB2 , iC1 iC2
所以
Uo uoc1 uoc2 0
共模放大倍数
AC
uoc uIc
电射路极参电数阻R的e对理共想模对信称号性的，负温反度馈变作化用时，管抑子制的了电每流只变晶化体完全 相管集同电，极故可电以流将的温变度化漂，移从等而效抑成制共集模电信极号的，电差位分的放变大化电。路 对共模信号有很强的抑制作用。
• 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2所示。
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。
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
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´
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.ppt
O VOL
V R EF
vI
t
vO
输入为正负对称的正弦波 时，输出波形如图所示。
VOH O VOL t
（2）门限电压不为零的比较器
输出电压被限定在 （UZ+UD)
对两个输入电压进行比较，比较两个电压的大小，将 R1 Uo Ro Ui 比较结果以高低电平的形式输出。用于此功能的运放通常 Uz R2 Uo 工作在饱和区。 UR + Dz Ui 通常将一个输入电压固定UR作为参考电压，另一个输 U U
+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。
4.共模抑制比CMRR=∞;
5.开环带宽BW=∞;
6.失调、漂移和内部噪声为零。
二、理想运放模型
I-
VV+
Vo
+
+
I+
-
AV(V+-V-)
1.同相端与反相端呈开路状态。 2.输出回路为一受控电压源AV(V+-V-) ， 由于Ro=0,所以Vo=AV(V+-V-)
三、理想运放的工作状态及其特点
VV+ I+ I-
虚地点对地的电位为“0”
三、理想运放的工 作状态及其特点
IVV+
+
Vo
-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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图2 简单过零比较器电路和输入、输出波形
2、 滞回比较器（迟滞比较器） • 单限比较器电路简单，灵敏度高，但其抗干扰 能力差。如果输入电压受到干扰或噪声的影响， 在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低
两个电平之间反复跳变，如图3所示。若用此输
出电压控制电机等设备，将出现误操作。为解
决这一问题，常常采用滞回电压比较器。
理想运放工作于线性区，因其 i+ 放大倍数趋于无穷大，所以在输入 u+ + 端只要加一个非无穷小的电压，其 A i输出就会超出其线性工作区，因此， u只有电路引入负反馈，才能使其工 作于线性区。 反馈网络 （3）理想集成运放工作于非线性区
uo
UO M 电路中没有引入负反馈或引入 的是正反馈，理想运放工作于非线 u+- uO 性区。因其放大倍数趋于无穷大， 所以输出电压只有两种可能： -UO M u u U OM uo 因为rid , 所以，i i 0 U u u OM
输入端的电阻R2为uI=0时反相输入端的等效
电阻： R2= R1// Rf 。
思考题： 如何提高图示电路的
输入电阻？会带来什么问题？
• T型网络反相比例运算电路
R2 M R4 i2 uI R1 i1 R2 uN iN uP R3 + A i3 i4 uO
（2）同相比例运算电路
Rf R iR uI R’ iF uN iN uP + A uO
图3 存在干扰时，单限比较器的输出、输入波形
• 滞回电压比较器通过引入上、下两个门限电压，
以获得正确、稳定的输出电压。
• 电压比较器有两个门限电平，故传输特性呈滞回 形状 。
图4 反相滞回电压比较器
• 滞回电压比较器用于控制系统时主要优点是抗
干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响
而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当 调整滞回电压比较器两个门限电平 UTH1和UTH2 的值，就可以避免比较器的输出电压在高、低 电平之间反复跳变，如图5所示。
A
uO
R4
（2）加减运算电路
uI1 uI2 uI3 R3 R4 R1 R2 + A uO Rf
uI 1 uI 2 uI 3 uO Rf Rf R3 R1 R2 Rf uI 3 uI 2 uI 1 ( ) R R3 R2 R1 ( R1 //R2 //Rf R3 //R4 )
（提示：用叠加原理）
Rf 1
Rf 2 R3
R1 uI1 + R2 A1 uO1 uI2
（解答：P321）
+ R4 A1 uO
3.积分运算电路
iC uI R iR R
’
4.微分运算电路
iC uI R iR R
’
C +
C +
uN iN uP
uN iN uP
A
uO
A
uO
1 uO uI dt RC
du I uO RC dt
仿真
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
仿真
应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将
反向积分，经过一定的时间后输出饱和。
1 t uo Udt RC 0 1 U om UTM RC
RCU om TM U
ui U
0
t 积分时限
uo
0
TM
t
-Uom
思考：如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。 运放实验中请自己验证。
uI1 uI2 uI3
R1 iI1 R2 iI2 iI
iF uN iN uP
Rf +
A
uO
R3 iI3 R 4
R uI1 uI2 uI3 R1 iI1 R2 iI2 R3 iI3
iR
iF uN iN uP
Rf +
•同相求和运算电路
uI 1 uI 2 uI 3 uO Rf R R R 2 3 1 R f ( uI 1 uI 2 uI 3 ) R ( R//Rf R1 //R2 //R3 //R4 )
R2 R4 R2 //R4 uO 1 uI R1 R3
uI +
uO A Rf
电压 跟随器
Rf uO 1 uI R
uI
R
’
+
A
uO
2.加减运算电路
（1）求和运算电路 •反相求和运算电路
uI 1 uI 2 uI 3 uO Rf R R R 2 3 1 R f ( uI 1 uI 2 uI 3 ) R ( R1 R2 R3 R)
uo
1. 比例运算电路
（1）反相比例运算电路 uI 电路处于深度负反馈条 件下，虚短和虚断成立。 uN uP 0
u uO uI u N N R1 Rf
uO Rf R1 uI
iF R1 iI R2 uN iN uP +
Rf
A
uO
为了保持运放差放输入级的对称性，同相
uI ri R1 iI ro rof 0 1 AF
• 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。
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 U TH 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 U TH =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2所示。
积分电路的主要用途： 1. 在电子开关中用于延迟。
2. 波形变换。例：将方波变为三角波。
3. A/D转换中，将电压量变为时间量。
4. 移相。
其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法与除法 运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。
7.4 运放的非线性应用电路—电压比较器
电压比较器是一种常见的模拟信号处 理电路，它将一个模拟输入电压与一个参 考电压进行比较，并将比较的结果输出。 比较器的输出只有两种可能的状态：高电 平或低电平，输出为数字量 ；而输入信号 是连续变化的模拟量，因此比较器可作为 模拟电路和数字电路的“接口”。