集成运放的非线性应用.ppt
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电子技术基础电子技术基础集成放大器基础知识袁涛四川工程职业技术学院电子信息教研室2022/11/71电子技术基础差动放大电路回顾上次课内容理想集成运放的特性：
理想集成运放的特性：
注意注意:
集成运放是直接耦合的多级放大电路。
集成运放是直接耦合的多级放大电路。
集成运放工作于线性区的特性：
集成运放工作于线性区的特性：
2022/11/72电子技术基础差动放大电路4.2.3电压比较器电压比较器运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出电压uo达到最大值UOM。
2022/11/73电子技术基础差动放大电路基准电压UR=0时，输入电压ui与零电位比较，称为过零比较器。
输出端接稳压管限幅。
设稳压管的稳定电压为UZ，忽略正向导通电压，则uiUR时，稳压管正向导通，uo=0；uiUR时，稳压管正向导通，uo=UZ；uiU+时UO=UOLU-U+时UO=UOH2022/11/76电子技术基础差动放大电路5.6.2简单电压比较器简单电压比较器把参考电压和输入信号分别接至集成运放的同相和反相输入端，就组成了简单的电压比较器。
如图
（1）、
（2）所示：
2022/11/77电子技术基础差动放大电路下面我们对它们进行分析一下（只对图
（1）所示的电路进行分析）它的传输特性如图（3）所示：
它表明：
输入电压从低逐渐升高经过UR时，uo将从高电平变为低电平。
相反，当输入电压从高逐渐到低时，uo将从低电平变为高电平。
阈阈值值电电压压：
我们将比较器的输出电压从一个电平跳变到另一个电平时对应的输入电压的值。
它还被称为门限电压。
简称为：
阈值。
用符号UTH表示。
利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。
2022/11/78电子技术基础差动放大电路例：
电路如
（1）所示，输入电压为正弦波如图（4）所示，试画出输出波形解：
输出波形与UR有关，输出波形如图（5）所示简单的电压比较器结构简单，灵敏多高，但是抗干能力差，因此我们就要对它进行改进。
改进后的电压比较器有：
滞回比较器和窗口比较器。
在此对它们不作要求。
2022/11/79电子技术基础差动放大电路5.6.35.6.3过零比较器过零比较器其阈值电压=0，集成运放工作在开环状态，当输入电压小于0时，输出达到正最大；当输入电压大于0时，输出电压达到负最大。
若要想获得输出电压跃变方向相反的电压传输特性，则应在电路中将反相输入端接地，而在同相输入端接输入电压。
为限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路。
在实用电路中为满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的最高和最低输出电压。
限幅电路的稳压管还可跨接在运放输出端和反相输入端之间。
2022/11/710电子技术基础差动放大电路5.6.55.6.5滞回比较器滞回比较器在单限比较器中，输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化上来源于输入信号还是外部干扰。
因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。
滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。
滞回比较器中引入了正反馈。
2022/11/711电子技术基础差动放大电路1.输出电压在输入电压等于阈值电压时的变化2.输入电压小于负阈值电压的变化3.输入电压大于正阈值电压的变化4.输入电压在负阈值电压到正阈值电压之间的变化2022/11/712电子技术基础差动放大电路5.6.65.6.6窗口比较器窗口比较器单限比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在两个给定电压之间，而窗口比较器具有这一功能。
外加参考电压，电阻和稳压管构成限幅电路。
通过以上几种电压比较器的分析，可得出如下结论：
2022/11/713电子技术基础差动放大电路1.在电压比较器，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能；2.一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系；3.电压传输特性的三个要素是输出电压的高低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。
输出电压的高低电平决定于限幅电路；令同相端输入电压等于反相端输入电压所求出的输入电压就是阈值电压；输入电压等于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。
2022/11/714电子技术基础差动放大电路我们前面学习的比较器都是用集成运放构成的，它存在着一定的缺点。
我们一般用集成电压比较器来代替它。
集成电压比较器的固有特点是：
可直接驱动TTL等数字集成电路器件；它的响应速度比同等价格集成运放构成比较器快；为提高速度，集成电压比较器内部电路的输入级工作电流较大。
2022/11/715电子技术基础差动放大电路5.7非正弦波产生电路非正弦波产生电路矩形波、锯齿波、三角波等非正弦波，实质是脉冲波形。
我们一般用惰性元件电容C和电感L的充放电来实现。
非正弦波产生电路，是由积分电路和滞回比较器电路组成的。
积分电路的作用是产生暂态过程；滞回比较器起开关作用。
即通过开关的不断的闭合，来破坏稳态，产生暂态过程。
2022/11/716电子技术基础差动放大电路5.7.1矩形波产生电路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。
2022/11/717电子技术基础差动放大电路一、矩形波产生电路的组成一、矩形波产生电路的组成电路图如下。
因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。
它由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
RC电路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充放电实现状态的自动转换。
2022/11/718电子技术基础差动放大电路2022/11/719电子技术基础差动放大电路二、工作原理：
二、工作原理：
电路是通过电阻Ro和稳压管对输出限幅，如它们的稳压值相等，则电路输出电压正、负幅度对称。
在利用数据比较器和积分电路的特性即可得到矩形波。
三、振荡周期计算三、振荡周期计算它等于正半周期和服半周期的和。
我们可通过电容充放电的三要素和转换值求得。
2022/11/720电子技术基础差动放大电路从中我们可以看到：
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的基础上。
若，则产生的矩形波。
；：
2022/11/721电子技术基础差动放大电路5.7.25.7.2三角波产生电路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。
2022/11/722电子技术基础差动放大电路在实用电路中，一般不采用上述波形变换的手段得三角波，而是将方波发生电路中的RC充放电回路用积分运算电路来取代，滞回比较器和积分电路的输出互为另一个电路的输入。
2022/11/723电子技术基础差动放大电路如果积分电路正向积分时间常数远大于反向积分的时间常数,或者反向积分的时间常数远大于正向积分时间常数，那么输出电压上升和下降的斜率相差很多，就可以获得锯齿波。
利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路不同，就可以得到锯齿波发生电路。
2022/11/724电子技术基础差动放大电路5.7.35.7.3波形变换电路波形变换电路从三角波和锯齿波发生电路的分析可知,这些电路构成的基本思路是将一种形状变换成另一种形状的波形，即实现波形变换。
只是由于电路中两个组成部分的输出互为另一部分的输入，因此产生了自激振荡。
实际上，可以利用基本电路来实现波形的变换。
例如，利用积分电路将方波变为三角波，利用微分电路将三角波变为方波，利用电压比较器将正弦波变为矩形波，利用模拟乘法器将正弦波变为二倍频等。
这里介绍采用特殊方法实现的三角波变锯齿波电路和三角波变正弦波电路。
2022/11/725电子技术基础差动放大电路7.4.1简单电压比较器简单电压比较器图755简单电压比较器2022/11/726电子技术基础差动放大电路图756简单电压比较器的传输特性2022/11/727电子技术基础差动放大电路【例2】在图7-56（a）所示的电路中,输入电压uI为正弦波,画出UR0,UR0,UR=0时的输出电压波形。
解解由图7-32（a）求得：
UTH=UR所以,当UR0时,UTH0；UR0时,UTH0；UR=0时,UTH=0。
三种情况下的输出电压波形如图7-34所示。
2022/11/728电子技术基础差动放大电路图757例2输出波形2022/11/729电子技术基础差动放大电路图758具有输入保护和输出限幅的比较器2022/11/730电子技术基础差动放大电路7.4.2滞回比较器滞回比较器图759噪声干扰对简单比较器的影响2022/11/731电子技术基础差动放大电路图760滞回比较器从图7-60（a）可得2022/11/732电子技术基础差动放大电路当时所对应的uI值就是阈值,即当uO=UOL时得上阈值:
当uO=UOH时得下阈值：
2022/11/733电子技术基础差动放大电路图761滞回比较器的传输特性2022/11/734电子技术基础差动放大电路同样的方法可求得反相滞回比较器的阈值电压和传输特性:
2022/11/735电子技术基础差动放大电路【例3】指出图7-62中各电路属于何种类型的比较器,并画出相应的传输特性。
设集成运放UOH=12V,UOL=-12V,各稳压管的稳压值Uz=6V,VDz和VD的正向导通压降UD=0.7V。
图762例3图2022/11/736电子技术基础差动放大电路解解图7-39（a）是一个同相简单电压比较器。
因为,所以可利用叠加原理求得而，故该比较器的输出高电平及输出低电平分别为2022/11/737电子技术基础差动放大电路图763例3的传输特性2022/11/738电子技术基础差动放大电路根据阈值的定义,要求解UTH,应当在的时刻进行。
这里是指二者真正相等,而不是指“+”端与“-”端之间虚短路。
当时,uO=0。
而所以,VDz的端电压的绝对值uDz为2022/11/739电子技术基础差动放大电路可见,在时,稳压管VDz必定截止,可视之为开路因此,应当在VDz开路的情况下,求解图7-39（b）的UTH。
此时故所以该电路是过零比较器。
2022/11/740电子技术基础差动放大电路当uI0时,稳压器VDz不是反向击穿,就是正向导通。
在这两种情况下,VDz的等效电阻都不大,因而可以对运放产生很强的负反馈。
所以该比较器中的运放是工作在线性区,其“-”端是虚地。
由此可以求得,该比较器输出的高电平及低电平分别为按照求得的UTH、和即可画出其传输特性,如图7-40（b）所示。
2022/11/741电子技术基础差动放大电路本例说明,比较器中的运放并非全都工作在非线性区,有些比较器中的运放是工作在线性区。
图7-39（c）是反相滞回比较器。
当uI较低,以致使时,输出电压uO=UOH=12V,而UR=9V,由电路可以看出,此时二极管VD必定截止,可视之为开路。
在此情况下,运放相当于开环工作,由此求得上阈值为2022/11/742电子技术基础差动放大电路当uI较高,以致使时,输出电压uO=UOL=-12V,而UR=9V,此时二极管必定导通,可视之为短路,由此求得下阈值为该比较器的输出电压等于
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