第6章集成運算放大器的非線性應用運放非線性應用條件與分析特點電壓比較電路非正弦波發生電路本章要求理解理想集成運算放大器非線性工作的條件和分析特點，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。了解矩形波發生電路以及三角波發生電路的組成和工作原理。運放非線性應用的條件與特點（1）++-ui1ui2uoΔA+U-U在圖示運放電路中，有

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

結論：在開環與正反饋條件下，運放工作在非線性區。運放工作在非線性狀態的條件6.1運放非線性應用的條件和分析特點運放非線性應用的條件與特點（2）運放工作在非線性狀態下的兩個特點設+UOM與-UOM為運放輸出的正、負最大值，有uo=+UOM

當u+>u--UOM

當u+<u-虛接跳變

設I+與I-為運放同相與反相端的輸入電流

，因為對于理想運放有rid=∞，所以I+=I-虛斷{end}單限電壓比較器（1）電壓比較器的功能：利用輸出信號的變化，比較兩個電壓的大小電壓比較uiURuo參考電壓比較信號電壓輸出電壓=+UOM-UOM電壓比較器的閾值：指ui與UR比較時，使輸出發生跳變時的ui值。電壓比較器的分類：單限比較器滯回比較器窗口比較器三態比較器6.2電壓比較電路單限電壓比較器（2）過零電壓比較器++-Δ∞R1R2uiu0結構特點：運放工作于開環狀態參考電壓UR=0UR=0分析方法：第一步：由運放非線性工作特點，有uo=+UOM當u+>u--UOM當u+<u-第二步：由電路求u+與u-對圖示電路，有u+=ui

、u-=0第三步：求閾值，得出比較器的傳輸特性因為當u+=u-時輸出發生跳變，此時ui=0，所以Uth=ui=0比較器的傳輸特性uo=+UOM當ui>0-UOM當ui<00uiuo單限電壓比較器（3）過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帶限幅的過零電壓比較器傳輸特性uo=+UZ當ui>0-UZ當ui<0R有何作用？單限電壓比較器（4）任意電壓比較器結構特點：運放工作于開環狀態參考電壓UR≠0UR≠0分析方法：第一步：由運放非線性工作特點，有uo=+UZ當u+>u--UZ當u+<u-第二步：由電路求u+與u-對圖示電路，有u+=UR、u-=ui

第三步：求閾值，得出比較器的傳輸特性因為當u+=u-時輸出發生跳變，此時ui=UR，所以Uth=ui=UR比較器的傳輸特性uo=-UZ當ui>UR+UZ當ui<UR++-Δ∞R1R2uiu0R±UZURui0uoUR+UZ-UZ單限電壓比較器（5）改變參考電壓，可實現占空比可調的矩形波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，有uo=+UZ當u+>u--UZ當u+<u-（2）由電路求u+與u-對圖示電路，有u+=0

（3）求閾值，得出比較器的傳輸特性因為當u+=u-時輸出發生跳變，此時: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uo=-UZ當ui>-3V+UZ當ui<-3Vui0uo-3V+UZ-UZ滯回電壓比較器（1）單限電壓比較器電路結構簡單、靈敏度高，但抗干擾能力較差。優點缺點0tuo干擾引起系統誤動作解決措施采用滯回比較器比較器對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結構特點：運放工作于正反饋狀態比較信號加入反向輸入端分析過程：第一步：由運放非線性工作特點，有uo=+UOM

當u+>u--UOM當u+<u-第二步：由電路求u+與u-(1)對圖示電路，有u-=ui(2)用疊加原理求u+uo單獨作用UR單獨作用注意：對于不同的輸出值，U+有兩個取值滯回電壓比較器（3）第三步：求閾值因為當u+=u-時輸出發生跳變，此時ui=Uth，所以當uo=+UOM時，u+1=u-=ui=Uth1，即當uo=-UOM時，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，uo=+UOM，閾值為Uth1-∞<ui<Uth1時，uo=+UOMui=Uth1時，跳變，uo=-UOM0uiuoui>Uth1時，uo=-UOM，閾值為Uth2Uth1+UOM-UOM（2）ui由+∞逐漸減小ui=+∞時，uo=-UOM，閾值為Uth2Uth2<ui<+∞時，uo=-UOMui=Uth2時，跳變，uo=+UOMui<Uth2時，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。Uth1Uth2+UOM-UOM只要干擾大小在回差以內，電路不受影響滯回電壓比較器（6）同相滯回比較器++-Δ∞R3R1uiu0R±UZURR2結構特點：運放工作于正反饋狀態比較信號加入同相輸入端(1)閾值計算對圖示電路，有u-=UR用疊加原理求u+uo單獨作用ui單獨作用注意：對于不同的輸出值，U+有兩個取值滯回電壓比較器（7）當uo=-UZ時，u+1=u-=UR、Uth=ui，即所以當uo=+UZ時，u+2=u-=UR、Uth=ui，即所以滯回電壓比較器（8）(2)分析傳輸特性ui由-∞逐漸增大ui=-∞時，uo=-UZ，閾值為Uth1-∞<ui<Uth1時，uo=-UZui=Uth1時，跳變，uo=+UZ0uiuoui>Uth1時，uo=+UZ，閾值為Uth2Uth1+UZ-UZ（2）ui由+∞逐漸減小ui=+∞時，uo=+UZ，閾值為Uth2Uth2<ui<+∞時，uo=+UZui=Uth2時，跳變，uo=-UZui<Uth2時，uo=-UZ，閾值為Uth1Uth2矩形波發生電路++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-一、電路結構:二、工作原理:（1）閾值電壓計算：滯回比較器，負反饋網絡6.3非正弦波發生電路矩形波發生電路（2）波形發生過程分析：1.設

uo

=

+UZ,uC

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

,在

uc<Uth1

時，u-

<u+

;

uo

保持

+UZ

不變；uo

立即由＋UZ

變成－UZ

++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-此時，C經輸出端放電。2.當uo

=

-UZ時，u+=Uth2當uc=

Uth2時，uo=UZ

。Uth1uctUth2當uo

重新回到＋UZ

以后，電路又進入另一個周期性的變化。++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-矩形波發生電路0Uth1uctUth2UZuo0t-UZT輸出波形：矩形波發生電路++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-矩形波發生電路++-Δ∞R1U+u0R4UCR3Δ±UZR2C+-矩形波發生器各部分的作用：RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。滯回比較器：起開關作用，實現高低電平的轉換。三、周期與頻率的計算f=1/Tuc上升階段表示式:uc下降階段表示式:uc0Uth1tUth2T1T2矩形波發生電路三角波發生電路反向積分電路方波發生器電路一：方波發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間常數配合好，不能讓積分器飽和。－++RR1R2C+uc-++RR2Cuouo1uo三角波的周期由矩形波發生器確定，其幅值也由周期T和參數R、C決定。0uo1tUom-Uom三角波發生電路三角波發生電路_++Δ∞R3u01R4R1Δ±UZR’++-Δ∞R2C-R’’-u02+Δ＋uC電路二：特點：由滯回比較器和反相積分器級聯構成，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±UZR2三角波發生電路回顧:反相積分器ui-+