-集成运放的非线性应用

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
R3 R2 U th1 U 1 U OM UR R2 R3 R2 R3
当uo=-UOM时， u+2=u-=ui=Uth2，即
U th2 U 2
R3 R2 (U OM ) UR R2 R3 R2 R3
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
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
uiBiblioteka BaiduUR 电 压 比 较
输出电压
uo
=
+UOM -UOM
电压比较器的阈值： 当u ＝U 时，输出发生跳变， i R 故UR被称为阀值电压。 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
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：
R1 R2 U (U Z ) U REF R1 R2 R1 R2
R1 R2 U th1 UZ U REF 8V R1 R2 R1 R2
通过RC充、放电实现输出状态 的自动转换。
C + UC Δ ∞ + U+ + Δ R4
u0
滞回比较器：起开关作用，
实现高低电平的转换。
R2
R3 ± UZ
小结

集成运放的非线性的条件与特点 电压比较器 矩形波发生器
R1
Uth1
R4 u0
uc t
C
+ UC -
Δ ∞ + U+ +
Δ
Uth2
UZ
uo
t
R2
R3 ± UZ
-UZ
矩形波发生电路
R1
uc
R4
u0
C
+ UC -
Δ ∞ + U+ + Δ
Uth1
0 Uth2 uo t
R2
R3 ± UZ
UZ
t T
输出波形：
0
- UZ
矩形波发生器各部分的作用：
R1
RC电路：起反馈和延迟作用，
其传输特性如图所示
ui1 -
Δ A + uo
ui2
+
-U uo(V)
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 uo= +UOM -UOM 当u+>u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
当u+>u当u+<u-
R3
R2 U (U OM ) R2 R3
注意：对于不同的输出值，U+有两个取值
R2 U (U OM ) R2 R3
ui
R1
Δ ∞ + +
u0
R2
R3
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
UR
ui
滞回电压比较器
优点
缺点
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 t 0
解决措施
采用滞回 比较器
干扰引起系 统误动作
反相滞回比较器
ui
R1
结构特点：
运放工作于正反馈状态 比较信号加入反向输入端
R2
Δ ∞ + +
u0
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 (2) 求u+
uo
矩形波发生电路
R1
一、电路结构:
滞回比较器
+
R1C负反馈网络
C
+ UC -
Δ ∞ + U+ + Δ
R4
u0
二、工作原理:
（1）阈值电压计算：
R2
R3 ± UZ
R2 U th1 UZ R3 R2
U th 2
R2 UZ R3 R2
矩形波发生电路
（2）波形发生过程分析： 1. 设 uo = + UZ , 则：u+=Uth1 此时，输出给C 充电!
Δ ∞ + +
u0
R2 R3 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 Uth2<ui<+∞时，uo=-UOM
Uth2
0
Uth1 ui
-UOM
定义：回差电压
ui=Uth2时，跳变，uo=+UOM
ui<Uth2时，uo=+UOM，阈值为Uth1
R
u0
± UZ
分析方法： 由运放非线性工 uo= 第一步： 作特点，有
+UZ 当u+>u-UZ
当u+<u-
对图示电路，有u+=UR、u-= ui 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=UR，所 +UZ Uth=ui=UR 以 -UZ 当ui>UR 0 比较器的传输特性 uo= -UZ +UZ 当ui<UR
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-
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 ∞ + +
u0 uo t 0
ui
R2
+ UOM
uo
0
ui
- UOM
ui>0 uo=UOM
ui<0 uo=-UOM
单限电压比较器
任意电压比较器
UR≠0
R1 ui UR R2
运放工作于开环状态 结构特点： 参考电压UR≠0
Δ ∞ + +
t
ui
U th2
R1 R2 (U Z ) U REF 3V R1 R2 R1 R2
ui
8V
3V
U th1 U th2 R1 R2 UZ U R 8V R1 R2 R1 R2 R1 R2 (U Z ) U R 3V R1 R2 R1 R2
R1
u- < u+ ; 在 uc < Uth1 时，
uo 保持 + UZ 不变；
一旦 uc > Uth1 , 就有 u- > u+ , uo 立即由＋UZ 变成－UZ
uc
Uth1
R4 u0
C
+ UC -
Δ ∞ + U+ + Δ
uo
UZ
t
R2
R3 ± UZ
t -UZ
矩形波发生电路
2. 当uo = -UZ时，u+=Uth2 此时，C 经输出端放电。 uc降到Uth2时，uo上翻。
R3
uo单独作用 (2) 用叠加原理求u+ R3 R2 U (U OM ) UR R2 R3 R2 R3 注意：对于不同的输出值，U+有两个取值
UR单独作用
R3 R2 U (U OM ) UR R2 R3 R2 R3
ui UR
R1
R2
Δ ∞ + + R3
u0
R2 U th1 U 1 U OM R2 R3
当uo=-UOM时， u+2=u-=ui=Uth2，即
U th2 U 2
R2 (U OM ) R2 R3
注意：Uth1>Uth2
ui
R1
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
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