集成运放的非线性应用技巧

1.集成运放应用在非线性区的特点

（1）集成运放应用在非线性电路时，处于开环或正反馈状态下。非线性应用中的运放本身不带负反馈，这一点与运放的线性应用有着明显的不同。

（2）运放在非线性运用状态下，同相输入端和反相输入端上的信号电压大小不等，因此“虚短”的概念不再成立。当同相输入端信号电压U+大于反相输入端信号电压U-时，输出端电压U0等于+UOM，当同相输入端信号电压U+小于反相输入端信号电压U-时，输出端电压U0等于-UOM。

（3）非线性应用下的运放虽然同相输入端和反相输入端信号电压不等，但由于其输入电阻很大，所以输入端的信号电流仍可视为零值。因此，非线性应用下的运放仍然具有“虚断”的特点。

（4）非线性区的运放，输出电阻仍可以认为是零值。此时运放的输出量与输入量之间为非线性关系，输出端信号电压或为正饱和值或为负饱和值。

2.集成运放的非线性应用

集成运放工作在非线性区可构成各种电压比较器和矩形波发生器等。其中电压比较器的功能主要是对送到运放输入端的两个信号 （模拟输入信号和基准电压信号）进行比较，并在输出端以高低电平的形式给出比较结果。

（1）单门限比较器。图3.13 （a）所示为单门限电压比较器。把输入信号电压ui接入反相输入端、基准电压UR接在同相输入端时，当ui＜UR时，u0=+UOM，当ui＞UR时，u0=-UOM。由图3.13 （b）所示传输特性还可看出，ui=UR是电路的状态转换点，此时输出电压u0产生跃变（实际情况如图3.13中虚线所示）。

图3.13　单门限电压比较器

（a）电路组成；（b）传输特性曲线

实际应用中，输入模拟电压ui也可接在集成运放的同相输入端，而基准电压UR作用于运放的反相输入端，对应电路的工作特性也随之改变为：ui＞UR时，u0=+UOM，ui＜UR时，u0=-UOM。由于这种电路只有一个门限电压值UR，故称为单门限电压比较器。

单门限电压比较器的基准电压UR=0时，输入电压每经过一次零值，输出电压就要产生一次跃变，这时的单门限比较器称为过零比较器，过零比较器的电路图与传输特性如图3.14所示。

（2）滞回比较器。滞回比较器是一种能判断出两种控制状态的开关电路，广泛应用于自动控制电路中。在单门限电压比较器的基础上，通过反馈网络R1和R2将输出电压的一部分回送到运放的同相输入端，就构成了如图3.15 （a）所示的、具有正反馈特性的滞回电压比较器，图3.15 （b）为它的传输特性曲线。

图3.14　过零比较器电路图及传输特性

图3.15　滞回电压比较器

（a）电路组成；（b）传输特性曲线

开环电压比较器的缺点是抗干扰能力较差。由于集成运放的开环电压放大倍数Au0很大，如果输入电压ui在转换点附近有微小的波动，输出电压u0就会在±VZ（或±UOM）之间上下跃变。如有干扰信号进入，比较器也极易误翻转。解决的办法是适当引入正反馈，即采用滞回比较器。图3.15中的输出电压u0经电阻R2、R3分压得到VB，接到同相输入端，作为基准电压。当u0=+VZ时，VB=VB1=+VZR2/（R2+R3）；当u0=-VZ时，VB=VB2=-VZR2/（R2+R3）。图3.15中R2和R3组成正反馈电路，可加速集成运放在高、低输出电压之间的转换，使传输特性跃变陡度加大，使之接近垂直的理想状态。正反馈的作用过程：当ui=VB1时，u0↓→VB↓→ （ui-VB）↑→u0↓。

观察图3.15 （b），当输入信号电压由a点负值开始增大时，输出u0=+VZ，直到输入电压ui=VB1时，u0由+VZ跃变到-VZ，电压传输特性由a→b→c→d→f；若输入信号电压ui由f点正值开始逐渐减小时，输出信号电压u0原来等于-VZ，当输入电压ui=VB2时，u0由-VZ跃变为+VZ，电压传输特性由f→d→e→b→a。图3.15 （b）所示传输特性曲线中的VB1、VB2称为状态转换点，又称为上、下门限电压，ΔU=VB1-VB2称为回差电压。由于此电压比较器在电压传输过程中具有滞回特性，因此称为滞回电压比较器。由于滞回电压比较器存在回差电压，使电路的抗干扰能力大大增强。

（3）方波发生器。图3.16所示为方波信号发生器的电路图及波形图。由图可以看出，方波发生器就是在滞回比较器电路的基础上，增加一条RC反馈支路构成的，工作原理如下。

输出端的两只稳压管反向串联、双向限幅，使u0=±VZ。R2和R3组成的正反馈电路为同相输入端提供基准电位VB；R1和C构成反馈电路，为反相输入端提供电压uC。集成运放接成电压比较器，将反馈电路uC与VB进行比较，根据比较结果来决定输出电压u0的状态，当uC＞VB时，u0=-VZ，当uC＜VB时，u0=+VZ。

图3.16　方波信号发生器

（a）电路图；（b）波形图

接通电源的瞬间，电路中的电流突变，由于电路中任一种电干扰，都能通过正反馈的积累，使输出电压达到+VZ或-VZ。因此，假设开始时u0=+VZ，则有

u0通过RF向C充电，充电电流如图3.16 （a）中实线箭头所示，uC按指数规律增大。

此时，电容器C经R1放电，如图3.16 （a）中虚线箭头所示，uC按指数规律衰减。当uC按指数规律减到等于VB2时，u0又再一次翻转，跃变为+VZ。如此周而复始，便得到一串方波电压，其波形图如图3.16 （b）所示。

本节重要知识点学习检测

1.集成运放的线性应用主要有哪些特点？

2.“虚地”现象只存在于线性应用运放的哪种运算电路中？

3.集成运放的非线性应用主要有哪些特点？

4.画出滞回比较器的电压传输特性，说明其工作原理。(www.xing528.com)

5.举例说明理想集成运放两条重要结论在运放电路分析中的作用。

6.工作在线性区的集成运放，为什么要引入深度电压负反馈？而且反馈电路为什么要接到反相输入端？

本节技能训练

实验三 集成运放的线性应用研究

一、实验目的

1.进一步巩固和理解集成运算放大器线性应用的基本运算电路构成及功能。

2.加深对线性状态下集成运算放大器工作特点的理解。

二、实验主要仪器设备

1.模拟电子实验台（或模拟电子实验箱）一套。

2.集成运放芯片μA741两只。

3.电阻、导线等其他相关设备。

三、实验电路原理图

实验电路原理如图3.17所示。

图3.17　集成运放的线性电路原理图

图3.18　集成运放的管脚排列图

四、实验原理

1.集成运放管脚排列图的认识

集成运放μA741除了有同相、反相两个输入端，还有两个±12V的电源端，一个输出端，另外还留出外接大电阻调零的两个端口，是多脚元件，如图3.18所示。

管脚2为运放的反相输入端，管脚3为同相输入端，这两个输入端对于运放的应用极为重要，实用中和实验时注意绝对不能接错。

管脚6为集成运放的输出端，实用中与外接负载相连；实验时接示波器探针。

管脚1和管脚5是外接调零补偿电位器端，集成运放的电路参数和晶体管特性不可能完全对称，因此，在实际应用当中，若输入信号为零而输出信号不为零时，就需调节管脚1和管脚5之间电位器RW的数值，调至输入信号为零、输出信号也为零时方可。

管脚4为负电源端，接-12V电位；管脚7为正电源端，接+12V电位，这两个管脚都是集成运放的外接直流电源引入端，使用时不能接错。

管脚8是空脚，使用时可以悬空处理。

2.实验中各运算电路在图示参数设置下相应运用的公式

五、实验步骤

1.认识集成运放各管脚的位置，小心插放在芯片座中，使之插入牢固。切忌管脚位置不能插错，正、负电源极性不能接反等，否则将会损坏集成块。

2.在实验台（或实验箱）直流稳压电源处调出+12V和-12V两个电压接入实验电路的芯片管脚7和管脚4，除固定电阻外，可变电阻用万用表欧姆挡调出电路所需数值，与对应位置相连。

3.按照图3.17 （a）电路连线。连接完毕首先调零和消振：使输入信号为零，然后调节调零电位器RW，用万用表直流电压挡监测输出，使输出电压也为零。

4.输入Ui=0.5V的直流信号或f=100Hz，Ui=0.5V的正弦交流信号，连接与固定电阻R1的一个引出端，R1的另一个引出端与反相端相连。

5.观测相应电路输出U0的输出及示波器波形，验证输出是否对输入实现了比例运算，记录下来。

6.分别按照图3.17 （b）、图3.17 （c）和图3.17 （d）各实验电路连接观测，认真分析电路输出和输入之间的关系是否满足各种运算，逐一记录下来。

六、思考题

1.实验中为何要对电路预先调零？不调零对电路有什么影响？2.在比例运算电路中，RF和R1的大小对电路输出有何影响？