第六章 集成運(yùn)算放大器非線性應(yīng)用

第6章集成運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用運(yùn)放非線性應(yīng)用條件與分析特點(diǎn)電壓比較電路非正弦波發(fā)生電路本章要求理解理想集成運(yùn)算放大器非線性工作的條件和分析特點(diǎn)，掌握單限電壓比較器和滯回電壓比較器的工作原理、電壓傳輸特性及一般分析方法。了解矩形波發(fā)生電路以及三角波發(fā)生電路的組成和工作原理。運(yùn)放非線性應(yīng)用的條件與特點(diǎn)（1）++-ui1ui2uoΔA+U-U在圖示運(yùn)放電路中，有

uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui0ui(mV)uo(V)其傳輸特性如圖所示線性區(qū)非性區(qū)非性區(qū)

結(jié)論：在開(kāi)環(huán)與正反饋條件下，運(yùn)放工作在非線性區(qū)。運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的條件6.1運(yùn)放非線性應(yīng)用的條件和分析特點(diǎn)運(yùn)放非線性應(yīng)用的條件與特點(diǎn)（2）運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)下的兩個(gè)特點(diǎn)設(shè)+UOM與-UOM為運(yùn)放輸出的正、負(fù)最大值，有uo=+UOM

當(dāng)u+>u--UOM

當(dāng)u+<u-虛接跳變

設(shè)I+與I-為運(yùn)放同相與反相端的輸入電流

，因?yàn)閷?duì)于理想運(yùn)放有rid=∞，所以I+=I-虛斷{end}單限電壓比較器（1）電壓比較器的功能：利用輸出信號(hào)的變化，比較兩個(gè)電壓的大小電壓比較uiURuo參考電壓比較信號(hào)電壓輸出電壓=+UOM-UOM電壓比較器的閾值：指ui與UR比較時(shí)，使輸出發(fā)生跳變時(shí)的ui值。電壓比較器的分類：?jiǎn)蜗薇容^器滯回比較器窗口比較器三態(tài)比較器6.2電壓比較電路單限電壓比較器（2）過(guò)零電壓比較器++-Δ∞R1R2uiu0結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：運(yùn)放工作于開(kāi)環(huán)狀態(tài)參考電壓UR=0UR=0分析方法：第一步：由運(yùn)放非線性工作特點(diǎn)，有uo=+UOM當(dāng)u+>u--UOM當(dāng)u+<u-第二步：由電路求u+與u-對(duì)圖示電路，有u+=ui

、u-=0第三步：求閾值，得出比較器的傳輸特性因?yàn)楫?dāng)u+=u-時(shí)輸出發(fā)生跳變，此時(shí)ui=0，所以Uth=ui=0比較器的傳輸特性u(píng)o=+UOM當(dāng)ui>0-UOM當(dāng)ui<00uiuo單限電壓比較器（3）過(guò)零電壓比較器可將正弦波變換為矩形波0tuo

ui>0

uo=UOM

ui<0

uo=-UOM

+

UOM

-

UOM++-Δ∞R1R2uiu0R±UZ帶限幅的過(guò)零電壓比較器傳輸特性u(píng)o=+UZ當(dāng)ui>0-UZ當(dāng)ui<0R有何作用？單限電壓比較器（4）任意電壓比較器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：運(yùn)放工作于開(kāi)環(huán)狀態(tài)參考電壓UR≠0UR≠0分析方法：第一步：由運(yùn)放非線性工作特點(diǎn)，有uo=+UZ當(dāng)u+>u--UZ當(dāng)u+<u-第二步：由電路求u+與u-對(duì)圖示電路，有u+=UR、u-=ui

第三步：求閾值，得出比較器的傳輸特性因?yàn)楫?dāng)u+=u-時(shí)輸出發(fā)生跳變，此時(shí)ui=UR，所以Uth=ui=UR比較器的傳輸特性u(píng)o=-UZ當(dāng)ui>UR+UZ當(dāng)ui<UR++-Δ∞R1R2uiu0R±UZURui0uoUR+UZ-UZ單限電壓比較器（5）改變參考電壓，可實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)的矩形波0tuo

ui<UR

uo=UZ

ui>UR

uo=-UZUR

ui<UR

uo=UZ+UZ-UZUR’單限電壓比較器（6）

例：有一電壓比較器如圖所示，試求閾值電壓、并作傳輸特性。++-Δ∞RR/2uiu0R±UZR+3V解：（1）由非線性工作特點(diǎn)，有uo=+UZ當(dāng)u+>u--UZ當(dāng)u+<u-（2）由電路求u+與u-對(duì)圖示電路，有u+=0

（3）求閾值，得出比較器的傳輸特性因?yàn)楫?dāng)u+=u-時(shí)輸出發(fā)生跳變，此時(shí):1.5+0.5ui=0，所以Uth=ui=-3V單限電壓比較器（7）{end}比較器的傳輸特性u(píng)o=-UZ當(dāng)ui>-3V+UZ當(dāng)ui<-3Vui0uo-3V+UZ-UZ滯回電壓比較器（1）單限電壓比較器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高，但抗干擾能力較差。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)0tuo干擾引起系統(tǒng)誤動(dòng)作解決措施采用滯回比較器比較器對(duì)輸入電壓的分辨能力滯回電壓比較器（2）反相滯回比較器++-Δ∞R1R2URu0uiR3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：運(yùn)放工作于正反饋狀態(tài)比較信號(hào)加入反向輸入端分析過(guò)程：第一步：由運(yùn)放非線性工作特點(diǎn)，有uo=+UOM

當(dāng)u+>u--UOM當(dāng)u+<u-第二步：由電路求u+與u-(1)對(duì)圖示電路，有u-=ui(2)用疊加原理求u+uo單獨(dú)作用UR單獨(dú)作用注意：對(duì)于不同的輸出值，U+有兩個(gè)取值滯回電壓比較器（3）第三步：求閾值因?yàn)楫?dāng)u+=u-時(shí)輸出發(fā)生跳變，此時(shí)ui=Uth，所以當(dāng)uo=+UOM時(shí)，u+1=u-=ui=Uth1，即當(dāng)uo=-UOM時(shí)，u+2=u-=ui=Uth2，即注意：Uth1>Uth2滯回電壓比較器（4）第四步：分析傳輸特性（1）ui由-∞逐漸增大ui=-∞時(shí)，uo=+UOM，閾值為Uth1-∞<ui<Uth1時(shí)，uo=+UOMui=Uth1時(shí)，跳變，uo=-UOM0uiuoui>Uth1時(shí)，uo=-UOM，閾值為Uth2Uth1+UOM-UOM（2）ui由+∞逐漸減小ui=+∞時(shí)，uo=-UOM，閾值為Uth2Uth2<ui<+∞時(shí)，uo=-UOMui=Uth2時(shí)，跳變，uo=+UOMui<Uth2時(shí)，uo=+UOM，閾值為Uth1Uth2定義：回差電壓Δuth=Uth1-Uth2滯回電壓比較器（5）0tuo回差電壓越大，比較器抗干擾能力越強(qiáng)。Uth1Uth2+UOM-UOM只要干擾大小在回差以內(nèi)，電路不受影響滯回電壓比較器（6）同相滯回比較器++-Δ∞R3R1uiu0R±UZURR2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：運(yùn)放工作于正反饋狀態(tài)比較信號(hào)加入同相輸入端(1)閾值計(jì)算對(duì)圖示電路，有u-=UR用疊加原理求u+uo單獨(dú)作用ui單獨(dú)作用注意：對(duì)于不同的輸出值，U+有兩個(gè)取值滯回電壓比較器（7）當(dāng)uo=-UZ時(shí)，u+1=u-=UR、Uth=ui，即所以當(dāng)uo=+UZ時(shí)，u+2=u-=UR、Uth=ui，即所以滯回電壓比較器（8）(2)分析傳輸特性u(píng)i由-∞逐漸增大ui=-∞時(shí)，uo=-UZ，閾值為Uth1-∞<ui<Uth1時(shí)，uo=-UZui=Uth1時(shí)，跳變，uo=+UZ0uiuoui>Uth1時(shí)，uo=+UZ，閾值為Uth2Uth1+UZ-UZ（2）ui由+∞逐漸減小ui=+∞時(shí)，uo=+UZ，閾值為Uth2Uth2<ui<+∞時(shí)，uo=+UZui=Uth2時(shí)，跳變，uo=-UZui<Uth2時(shí)，uo=-UZ，閾值為Uth1Uth2矩形波發(fā)生電路++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-一、電路結(jié)構(gòu):二、工作原理:（1）閾值電壓計(jì)算：滯回比較器，負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)6.3非正弦波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路（2）波形發(fā)生過(guò)程分析：1.設(shè)

uo

=

+UZ,uC

=0此時(shí)，輸出給C充電!則：u+=Uth1tuoUZ-UZUth1uct一旦uc=Uth1

,在

uc<Uth1

時(shí)，u-

<u+

;

uo

保持

+UZ

不變；uo

立即由＋UZ

變成－UZ

++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-此時(shí)，C經(jīng)輸出端放電。2.當(dāng)uo

=

-UZ時(shí)，u+=Uth2當(dāng)uc=

Uth2時(shí)，uo=UZ

。Uth1uctUth2當(dāng)uo

重新回到＋UZ

以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-矩形波發(fā)生電路0Uth1uctUth2UZuo0t-UZT輸出波形：矩形波發(fā)生電路++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-矩形波發(fā)生電路++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-矩形波發(fā)生器各部分的作用：RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。滯回比較器：起開(kāi)關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。三、周期與頻率的計(jì)算f=1/Tuc上升階段表示式:uc下降階段表示式:uc0Uth1tUth2T1T2矩形波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路反向積分電路方波發(fā)生器電路一：方波發(fā)生器方波積分電路三角波－++RR1R2C+uc-++RR2Cuo此電路要求前后電路的時(shí)間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。－++RR1R2C+uc-++RR2Cuouo1uo三角波的周期由矩形波發(fā)生器確定，其幅值也由周期T和參數(shù)R、C決定。0uo1tUom-Uom三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路_++Δ∞R3u01R4R1Δ±UZR’++-Δ∞R2C-R’’-u02+Δ＋uC電路二：特點(diǎn)：由滯回比較器和反相積分器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，滯回比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反相積分器的輸出又作為滯回比較器的輸入。滯回比較器反向積分電路uoui0UZ-UZUth1Uth2滯回比較器回顧:閾值電壓：++-Δ∞R‘R1uiu0R±UZR2三角波發(fā)生電路回顧:反相積分器ui-+