第十八讲 集成运放的非线性应用

§7-5集成运放的非线性应用－－电压比较器越限报警、模/数转换和产生、变换波形。将一个模拟输入量与参考电压进行比较，并将比较的结果输出，其输出结果只有两种可能：高电平和低电平。电压比较器的分类过零比较器、单限比较器、滞回比较器、双限比较器（窗口比较器）运放处于开环状态或有正反馈。可以认为电压比较器是数字电路和模拟电路的接口。电压比较器的应用电压比较器的电路特征电压比较器的作用因此电压比较器中运放工作在非线性区。理想运放工作在非线性区时的特点1、输出电压的值只有两种可能：或等于正向饱和值；或等于负向饱和值。uOu+-u-0UOHUOL非线性区非线性区理想特性OHOUuuu;OLOUuuu;2、有“虚断”无虚短：0iiuu时，发生电平的转换,此时的输入电压称为“阈值电压”或“门限电压”，用UTH表示。如果运放没有限幅措施，输出电压的正向、负向饱和值分别与运放的正、负电源电压近似相等。3、结构特征：运放一般工作在开环状态或引入正反馈。CCVEEV0uiuO一、过零比较器-+uiuORR'根据虚断：0ii;0u;iuu:0iuuuOLOUu:0iuuuOHOUuUOLUOH阈值电压：0THU1、反相过零比较器电压传输特性0uiuO一、过零比较器-+uiuORR'根据虚断：0ii;0u;iuu:0iuuuOLOUu:0iuuuOHOUuUOLUOH阈值电压：0THU1、反相过零比较器电压传输特性ZUZU+UZ-UZ2、有限幅的反相过零比较器限流电阻R00uiuO根据虚断：0ii;0u;iuu:0iuuuZOUu:0iuuuZOUu-UZ+UZ-+uiuORR'RO3、同相过零比较器电压传输特性0uiuO-UZUZ反相过零比较器-+uiuORR'R0二、单限比较器根据虚断：0ii;RUu;iuu:RiUuuuZOUu:RiUuuuZOUu-+uiuORR'ROUR0uiuO-UZ+UZ阈值电压：RTHUUUR1、反相单限比较器电压传输特性2、求和型单限比较器根据虚断：;0u——阈值电压。RiURRu21-+uiuOR1R'R0URR2时，当uu2RUR1Rui0uiuO-UZ+UZUTH电压传输特性THU电路状态发生改变，3、单限比较器的特点单限电压比较器具有电路简单、灵敏度高等优点，存在的主要问题是输出电压波形不够陡，抗干扰能力差。0tui阈值电压0tuO错误的输出+UZ-UZ0ut干扰输出波形不够陡实际运放的开环增益不是，所以状态的跃变必须经过线性区，并需要经过一定的时间。三、迟滞比较器（施密特触发器）Rf引入正反馈，-+uiuOR2R1R0URRfif反相迟滞比较器运放工作在非线性区。引入正反馈有两个作用：1、正反馈加快了uO的转换速度，输出电压波形很陡。2、电路有两个阈值电压。,iuu，0ii+UZ-UZRffURRRu2OfuRRR22+说明U＋有两种取值，由叠加原理，阈值电压。，可以求出两个不同的令uu-+uiuOR2R1R0URRfif反相迟滞比较器+UZ-UZRffURRRu2OfURRR22+ui很小时，输出;ZOUUui很大时，输出;ZOUU时，当uu电路状态发生跳变，ui由小增大，使uO从+UZ跳变为-UZ所需的阈值电压为UTH+：ui由大变小，使uO从-UZ跳变为+UZ所需的阈值电压为UTH-：;222ZfRffTHURRRURRRU;222ZfRffTHURRRURRRU上限阈值电压、下限阈值电压和回差电压：ZfTHTHTURRRUUU222（与参考电压无关）正向阈值电压负向阈值电压回差电压-+uiuOR2R1R0URRfif反相迟滞比较器;222ZfRffTHURRRURRRU;222ZfRffTHURRRURRRU电压传输特性：ZfTHTHTURRRUUU2220uiuO传输特性-UZ+UZUTH+UTH-;22ZfRffTHURRURRRU-+uiuOR2R1ROURRfif同相迟滞比较器;22ZfRffTHURRURRRU-+uiuOR2R1R0URRfif反相迟滞比较器;222ZfRffTHURRRURRRU;222ZfRffTHURRRURRRU0uiuO传输特性（反相）-UZ+UZUTH+UTH-0uiuO传输特性（同相）+UZ-UZUTH+UTH-求阈值电压、电压传输特性？0uiuO-UZ+UZUTH+UTH-0tui门限电压0tuO+UZ-UZ单限比较器0tuiUTH+0tuO+UZ-UZ迟滞比较器UTH-迟滞比较器可用于产生矩形波、三角波和锯齿波等各种非正弦波信号，也可用于波形变换电路。迟滞比较器用于控制系统时的主要优点是抗干扰能力强，但与单限比较器相比灵敏度下降了。+-uiuORRUR1-+RRUR2RLuO1uO2四、窗口比较器21RRUU要求或门电路输入信号uO1uO2uOuiUR1UR2uiUR2UR1UR2uiUR1电压传输特性：0uiuOUOHUR2UR1UOHUOLUOHUOLUOHUOHUOLUOL0+-uiuORRUR1-+RRUR2RLuO1uO2四、窗口比较器21RRUU如果输入信号uO1uO2uOuiUR2UR1UOHUOLUOHuiUR1UR2UOLUOHUOHUR1uiUR2UOHUOHUOH电压传输特性：0uiuOUOHUR1UR221RRUU要求电压比较器小结1、在电压比较器中，集成运放一般工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。2、通常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、电压传输特性有三个要素：（1）阈值电压：（2）输出的高、低电平：（3）输出电压的跃变方向：就是阈值电压。，所求出的的令iuuu决定于限幅电路。决定于ui作用于运放的哪个输入端。【例题】电路如图示，输入为正弦信号，画出输出信号波形。0tui/V0tuO-+uiuORR'ROUR10已知：UR=6V0uiuO-UZ+UZUR6V+UZ-UZ【例题】电路如图示，输入为正弦信号，画出输出信号波形。0tui/V0tuO-+uiuORR'ROUR10已知：UR=-3V-3V+UZ-UZ0uiuO-UZ+UZUR-+uiuOR2R1ROURRfif反相迟滞比较器0uiuO传输特性-UZ+UZUTH+UTH-【例题】电路如图示，输入信号为正弦波，画出输出信号波形。0tui/V0tuO10UTH+UTH-+UZ-UZ【例题】题7－13（P271）假设稳压管截止，则集成运放必然工作在开环状态，输出电压为UOH或UOL，只要输出电压的绝对值大于稳压管的击穿电压，必将导致其中的一个稳压管击穿而工作在稳压状态，DZ构成反馈通路，使运放工作在线性区，u+=u-。-+uiuORR'限幅DZ可见，虽然运放工作在线性区，但由于稳压管的特性，使之仍然具有电压比较器的特性。;0ii;0u:01iu）（假设稳压管截止,OMLOUUu必使右管击穿，左管导通，“-”端虚地，ZOUu:02iu）（假设稳压管截止,OMOHOUUu必使左管击穿，右管导通，“-”端虚地，ZOUuuiR1R1R1R3R2R2R39V9VLED1LED2LED33VuB6VuAuiuAuBLED3LED2LED13V3~6V6VLHLLHH亮亮亮灭灭灭灭灭灭【例题】电路如图所示，试分析电路中的发光二极管各在什么情况下发光？窗口比较器§7-6集成运放其他应用简介滤波器的功能是使所需特定频率范围内的信号能够顺利通过，而阻止其它频率范围的信号通过。被广泛应用于通信和信号处理等领域。7-6-1有源滤波器•有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波器分类：•低通（LPF）•高通（HPF）•带通（BPF）•带阻（BEF）•全通（APF）AA0Ow1ww2通带阻带通带A0A1阻带通带Ow1wA2A0阻带通带Ow2wAA0Ow2ww1通带阻带阻带？希望抑制50Hz的干扰信号，应选用哪种类型的滤波电路？？放大音频信号，应选用哪种类型的滤波电路？1R1ouRCouiuu一阶有源低通滤波器:)()()()()()()(sususususususHioio11)()(RRsusuAfoufsRCsusui11)()(HufufffjARCjAjH11)(wwsRCAsHuf1)(RCfH21)()(lg20dBjHwHff1.01103201R1ouRCouiuu一阶有源高通滤波器:1R1ouRCouiuu)()()()()()()(sususususususHioio11)()(RRsusuAfoufsRCRsCRsusui1111)()(sRCAsHuf/11)(ffjAjHLuf1)(wRCfL21)()(lg20dBjHwHff1.0110320§7-6集成运放其他应用简介1、正弦波信号发生器7-6-2波形发生器热敏电阻稳幅作用放大网络正反馈网络兼作选频网络反向积分电路-++RR2Cuo2、非正弦波信号发生器（1）方波发生器：迟滞电压比较器+RC充放电回路。（2）三角波发生器：方波发生器+积分电路。（3）锯齿波发生器：将三角波发生器稍作改动，使积分电路的充、放电时间常数不同。方波发生器－++RR1R2C+uc第七章小结一、集成运放的基本组成输入级：——差动放大电路中间级：——有源负载共射放大电路输出级：——互补推挽功率输出级偏置电路：——恒流源电路二、理想运放的参数AOdridrOKCMRIIBIIOUIOBW零点漂移00000三、理想运放工作在线性区和非线性区的特点：（必须要在电路中引入深度负反馈）（运放工作在开环状态或引入正反馈）1、线性区：;uu;0ii虚断和虚短：2、非线性区：OLOOHOUuuuUuuu::开关特性：虚断：0ii在分析运放的各种应用电路时，首先必须判断其中的运放工作在哪个区域。线性区：非线性区：必须要在电路中引入深度负反馈。运放工作在开环状态。四、理想运放的线性应用：比例运算电路：反相比例运算电路同相比例运算电路差分比例运算电路求和电路：反相求和电路同相求和电路微分、积分运算电路：对数、指数运算电路：1、掌握运放运算电路的分析方法，能确定输出信号与输入信号的运算关系。要求：2、能应用运放实现给定的运算关系。3、掌握平衡电阻的概念和计算方法。用它们组成的放大器各有什么特点？五、理想运放的非线性应用：分析电压比较器主要是分析其电压传输特性，然后能根据给定的输入信号画出输出信号的波形。电压比较器：过零比较器单限比较器迟滞比较器窗口比较器（1）令u+=u-，计算阈值电压；（2）根据限幅电路确定输出的高、低电平；（3）根据输入信号所加的输入端确定信号的跃变方向。【例题】集成运放为理想运放，最大输出电压UOPP=12V各运放各组成何种基本应用电路?各工作什么区域?10k20k20kui+-+-+-A1RuO36VA3A210kA1A2A3输入信号为ui=10sinwt(V)，画出uO3的波形。反相比例运算电路过零比较器同相比例运算电路——电压跟随器线性区非线性区线性区10k20k20kui+-+-+-A1RuO36VA3A210k输入信号为ui=10sinwt(V)，画出uO3的波形。uO1uO2;1iOuu23OOuu01OuVuO6301OuVuO630iuVuO6301OuVuO63uit10-100uO3t0-