集成运放的非线性应用

集成运放的非线性失真分析及电路应用0 引言运算放大器广泛应用在各种电路中，不仅可以实现加法和乘法等线性运算电路功能，而且还能构成限幅电路和函数发生电路等非线性电路，不同的连接方式就能实现不同的电路功能。

集成运放将运算放大器和一些外围电路集成在一块硅片上，组合成了具有特定功能的电子电路。

集成运放体积小，使用方便灵活，适合应用在移动通信和数码产品等便携设备中。

线性特性是考查具有放大功能的集成运放和接收射频前端电路的一个重要参数，并且线性范围对集成运放的连接方式也有很大影响。

集成运放的线性范围太小，就会造成输出信号产生多次谐波和较大的谐波功率，严重地影响整个电路的功能。

基于集成运放的非线性分析，可以发现造成电路非线性失真的原因，并且在不改变电路设计的前提下，通过改变集成运放的连接方式，达到实现集成运放正常工作的目的。

本文设计优化的集成运放电路应用于定位系统射频前端电路，完成对基带扫频信号的放大输出，能有效抑制了集成运放谐波的产生，实现射频接收前端电路的高增益，提高对后端电路设计部分的驱动能力。

l 差分电路的接入方法和集成运放的非线性参数通用集成运放电路由：偏置电路、输入级、中间级和输出级等组成。

其输入级部分由差分电路构成。

差分电路有双端输入和单端输入两种信号输入方法；偏置电路可以采用单电源和双电源两种供电方式。

在移动通信或便携设备中，一般采用单电源供电方式，单电源供电的集成运放要求输入信号采用单极性形式，即输入信号始终是正值或是负值，差分输入级可以用来保证输入中间级电路的信号极性，同时差分输入级放大电路可以有效抑制共模信号，增强集成运放的共模抑制比。

但是，当共模输入信号较大时，差分对管就会进入非线性工作状态，放大器将失去共模抑制能力，严重影响到集成运放的共模抑制比。

集成运放的非线性特性参数除了最大共模输入。

模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性解析与应用模拟电子技术中的运算放大器是一种重要的电子元件，广泛应用于信号处理、滤波、运算和放大等领域。

运算放大器被设计为线性的电路，但在实际应用中，其非线性特性常常会对电路性能产生影响。

本文将对运算放大器的非线性特性进行解析，并探讨其在实际应用中的重要性。

1. 非线性特性的定义和分类非线性特性指的是电路输出与输入信号不成比例的关系。

在运算放大器中，这种非线性特性通常体现为失真、交叉耦合和非线性增益等现象。

2. 失真失真是指运算放大器输出信号中含有不同于输入信号的频谱成分。

主要的失真形式包括谐波失真、交调失真和互调失真等。

谐波失真是输出信号中含有输入信号频率的整数倍频率成分；交调失真是输出信号中含有输入信号频率之间的交叉成分；互调失真则是当输入信号有多个频率时，输出信号中含有两个或多个频率之间的非线性交叉成分。

3. 交叉耦合交叉耦合是指在运算放大器中，当输入信号的一个分量变化时，会影响到其他分量的输出。

这种非线性耦合效应会导致输出信号中出现与输入信号成分无关的非线性成分，从而改变电路的运算性能。

4. 非线性增益非线性增益是指运算放大器在不同输入信号幅度下的输出增益不一致性。

在理想的运算放大器中，输出信号应该与输入信号成比例，但由于非线性特性的存在，输出信号的增益并不是恒定的。

这种非线性增益会导致信号失真，并降低电路的工作精度。

5. 非线性特性的应用尽管非线性特性会对电路性能产生影响，但在某些应用场景下，非线性特性也是被利用的。

例如，压限放大器（limiter amplifier）就是一种利用非线性特性的运算放大器，它被广泛应用于无线通信中用于抑制干扰信号、防止过载和保护接收机等方面。

6. 技术手段与解决方案为了解决运算放大器的非线性特性问题，工程师们提出了许多技术手段和解决方案。

例如，通过合理的设计，可以采用负反馈手段来补偿非线性特性，使得输出信号更加稳定和准确。

第12章 集成运算放大器 习题参考答案一、填空题：1. 理想运放同相输入端和反相输入端的“虚短”指的是 同相输入端与反相输入端两点电位相等，在没有短接的情况下出现相当于短接时的现象。

2. 将放大器 输出信号 的全部或部分通过某种方式回送到输入端，这部分信号叫做 反馈 信号。

使放大器净输入信号减小，放大倍数也减小的反馈，称为 负 反馈；使放大器净输入信号增加，放大倍数也增加的反馈，称为 正 反馈。

放大电路中常用的负反馈类型有 并联电压 负反馈、 串联电压 负反馈、 并联电流 负反馈和 串联电流 负反馈。

3. 若要集成运放工作在线性区，则必须在电路中引入 负 反馈；若要集成运放工作在非线性区，则必须在电路中引入 开环 或者 正 反馈。

集成运放工作在线性区的特点是 输入电流 等于零和 输出电阻 等于零；工作在非线性区的特点：一是输出电压只具有 高电平、低电平两种稳定 状态和净输入电流等于 零 ；在运算放大器电路中，集成运放工作在 线性 区，电压比较器集成运放工作在 非线性 区。

4. 集成运放有两个输入端，称为 同相 输入端和 反相 输入端，相应有 同相输入 、 反相输入 和 双端输入 三种输入方式。

5. 放大电路为稳定静态工作点，应该引入 直流 负反馈；为提高电路的输入电阻，应该引入 串联 负反馈；为了稳定输出电压，应该引入 电压 负反馈。

6. 理想运算放大器工作在线性区时有两个重要特点是“虚短”和 “虚断” 。

三、选择题：（每小题2分，共16分）1.集成运算放大器能处理（ C ）。

A 、直流信号；B 、交流信号；C 、交流信号和直流信号。

2. 为使电路输入电阻高、输出电阻低，应引入（ A ）。

A 、电压串联负反馈；B 、电压并联负反馈；C 、电流串联负反馈；D 电流并联负反馈。

3. 在由运放组成的电路中，运放工作在非线性状态的电路是（ D ）。

A 、反相放大器；B 、差值放大器；C 、有源滤波器；D 、电压比较器。

运放的非线性应用原理1. 引言运放（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种广泛应用于电子电路中的集成电路器件。

除了典型的线性应用，运放还可以应用于非线性电路中，实现多种有趣而实用的功能。

本文将介绍运放的非线性应用原理，并使用列点的方式进行阐述。

2. 非线性应用原理以下列出了几种常见的运放非线性应用原理：•比较器（Comparator）：通过利用运放的放大特性和比较特性，将输入信号和参考电压进行比较，并输出高或低电平的信号。

比较器常用于判断信号的高低电平或超过阈值等特定条件。

在计算机数字电路中，比较器也用于二进制数据的比较与处理。

•正弦波产生器（Oscillator）：利用运放的正反馈特性，实现自激振荡电路，产生稳定的正弦波信号。

正弦波产生器常应用于音频设备、信号发生器以及通信设备中。

•多谐振荡器（Multivibrator）：通过运放的放大特性和正反馈特性，构建多谐波振荡电路。

多谐振荡器可产生方波、矩形波和锯齿波等多种波形信号。

在电子乐器、通信设备和数字电路中，多谐振荡器有广泛的应用。

•限幅器（Clamper）：通过限制输入信号的幅值，实现对信号的限制和修正。

限幅器多用于音频设备和通信设备中，用于保护后续电路不受高幅值的输入信号的干扰。

•焊接控制器（Soldering Iron Temperature Controller）：运放非线性应用在温控领域中也有应用。

焊接控制器可通过运放的非线性运算功能，实现对焊接烙铁温度的精确控制。

在焊接电子元件时，可根据焊接环境和元件要求来控制烙铁的温度。

3. 非线性应用实例分析将以限幅器为例，对非线性应用原理进行实例分析：3.1 限幅器原理限幅器的原理是通过控制开关电路的导通和断开来限制输入信号的幅值。

输入信号超过设定的上下限幅值时，运放会切断输出信号。

以下为限幅器的工作原理：1.以一个正弦波信号作为输入信号。

2.设置上下限幅电压值。

第一章常用半导体器件1-1 晶体二极管二．判断题1．在外电场作用下，半导体中同时出现电子电流和空穴电流。

（T）2．P型半导体中，多数载流子是电子，少数载流子是空穴。

（F）3．晶体二极管有一个PN结。

所以有单向导电性。

（T）4．晶体二极管的正向特性也有稳压作用。

（T）5．硅稳压管的动态电珠愈小，则稳压管的稳压性能愈好。

（T）6．将P型半导体和N型半导体用一定的工艺制作在一起，其叫界处形成PN结。

（T）7．稳压二极管按材料分有硅管和锗管。

（F）8．用万用表欧姆挡的不同量程去测二极管的正向电阻。

其数值是相同的。

（F）9．二极管两端的反向电压一旦超过最高反向电压，PN结就会击穿。

（F）10．二极管的反向电阻越大，其单向导电性能就越好。

（T）11．用500型万用表测试发光二极管，应该R*10k挡。

（T）1-2 晶体三极管二．判断题1．晶体三极管的发射区和集电区是由同一类半导体（N型或P型）构成的，所以发射极和集电极可以相互调换使用。

（F）2．三极管的放大作用具体体现在Ic=ßIb。

（T）3．晶体三极管具有能量放大作用。

（F）4．硅三极管的Icbo值要比锗三极管的小。

（T）5．如果集电流Ic大于集电极最大允许电流Icm时，晶体三极管可顶损坏。

（F）6．晶体二极管和三极管都是非线性器件。

（T）7．3CG21管工作在饱和状态时，一定是Ube<Uce.（T）8．某晶体三极管的Ib=10μA时。

Ic=044mA;当Ib=20μA时。

Ic=0.89mA,则它的电流放大系数ß=45。

（T）9．因为三极管有两个PN结，二极管有一个PN结。

所以用两个二极管可以连接成一个三极管。

（F）10．判断题1-2-1所示各三极管的工作状态（NON型为硅管。

PNP 型为锗管）。

a)(放大)；b)(饱和)；c)(截止)；d)(放大)11．复合管的共发射极电流放大倍数ß等于两管的ß1，ß2之和。

三、选择题：（每小题2分，共20分）1、单极型半导体器件是（C）。

A、二极管；B、双极型三极管；C、场效应管；D、稳压管。

2、P型半导体是在本征半导体中加入微量的（A）元素构成的。

A、三价；B、四价；C、五价；D、六价。

3、稳压二极管的正常工作状态是（ C）。

A、导通状态；B、截止状态；C、反向击穿状态；D、任意状态。

4、用万用表检测某二极管时，发现其正、反电阻均约等于1KΩ，说明该二极管（C）。

A、已经击穿；B、完好状态；C、内部老化不通；D、无法判断。

5、PN结两端加正向电压时，其正向电流是（A）而成。

A、多子扩散；B、少子扩散；C、少子漂移；D、多子漂移。

6、测得NPN型三极管上各电极对地电位分别为V E＝，V B＝，V C＝，说明此三极管处在（A）。

A、放大区；B、饱和区；C、截止区；D、反向击穿区。

7、绝缘栅型场效应管的输入电流（C）。

A、较大；B、较小；C、为零；D、无法判断。

8、正弦电流经过二极管整流后的波形为（C）。

A、矩形方波；B、等腰三角波；C、正弦半波；D、仍为正弦波。

9、三极管超过（C）所示极限参数时，必定被损坏。

A、集电极最大允许电流I CM；B、集—射极间反向击穿电压U（BR）CEO；C、集电极最大允许耗散功率P CM；D、管子的电流放大倍数 。

10、若使三极管具有电流放大能力，必须满足的外部条件是（C）A、发射结正偏、集电结正偏；B、发射结反偏、集电结反偏；C、发射结正偏、集电结反偏；D、发射结反偏、集电结正偏。

三、选择题：（每小题2分，共20分）1、基本放大电路中，经过晶体管的信号有（C）。

A、直流成分；B、交流成分；C、交直流成分均有。

2、基本放大电路中的主要放大对象是（B）。

A、直流信号；B、交流信号；C、交直流信号均有。

3、分压式偏置的共发射极放大电路中，若V B点电位过高，电路易出现（B）。

A、截止失真；B、饱和失真；C、晶体管被烧损。

4、共发射极放大电路的反馈元件是（B）。

第四章集成运算放大器的应用§4-1 集成运放的主要参数和工作点= 1、理想集成运放的开环差模电压放大倍数为 Aud=∞，共模抑制比为 KCMR ∞，开环差模输入电阻为 ri= ∞，差模输出电阻为 r0=0 ，频带宽度为 Fbw=∞。

2、集成运放根据用途不同，可分为通用型、高输入阻抗型、高精度型和低功耗型等。

3、集成运放的应用主要分为线性区和非线性区在分析电路工作原理时，都可以当作理想运放对待。

4、集成运放在线性应用时工作在负反馈状态，这时输出电压与差模输入电压满足关系；在非线性应用时工作在开环或正反馈状态，这时输出电压只有两种情况；+U0m 或 -U0m 。

5、理想集成运放工作在线性区的两个特点：（1） up=uN ，净输入电压为零这一特性成为虚短，（2） ip=iN，净输入电流为零这一特性称为虚断。

6、在图4-1-1理想运放中，设Ui=25v,R=Ω，U0=,则流过二极管的电流为 10 mA ，二极管正向压降为 v。

7、在图4-1-2所示电路中，集成运放是理想的，稳压管的稳压值为，Rf=2R1则U0=-15 V。

二、判断题1、反相输入比例运算放大器是电压串联负反馈。

（×）2、同相输入比例运算放大器是电压并联正反馈。

（×）3、同相输入比例运算放大器的闭环电压放大倍数一定大于或等于1。

（√）4、电压比较器“虚断”的概念不再成立，“虚短”的概念依然成立。

（√）5、理想集成运放线性应用时，其输入端存在着“虚断”和“虚短”的特点。

（√）6、反相输入比例运算器中，当Rf=R1，它就成了跟随器。

（×）7、同相输入比例运算器中，当Rf=∞，R1=0，它就成了跟随器。

（×）三、选择题1、反比例运算电路的反馈类型是（B ）。

A.电压串联负反馈B.电压并联负反馈C.电流串联负反馈2、通向比例运算电路的反馈类型是（A ）。

A.电压串联负反馈B.电压并联负反馈C.电压串联正反馈3、在图4-1-3所示电路中，设集成运放是理想的，则电路存在如下关系（ B ）。

？二、判断题：1.放大电路一般采用的反馈形式为负反馈。

（对）2．集成运放使用时不接负反馈，电路中的电压增益称为开环电压增益。

（错）3. 电压比较器的输出电压只有两种数值。

（对）4. 集成运放未接反馈电路时的电压放大倍数称为开环电压放大倍数。

（对）5. “虚短”就是两点并不真正短接，但具有相等的电位。

（对）6. “虚地”是指该点与接地点等电位。

（对）7．“虚地”是指该点与“地”点相接后，具有“地”点的电位。

（错）-8、集成运放不但能处理交流信号，也能处理直流信号。

（对）9、集成运放在开环状态下，输入与输出之间存在线性关系。

（错）10、各种比较器的输出只有两种状态。

（对）11、微分运算电路中的电容器接在电路的反相输入端。

（对）三、选择题：（每小题2分，共16分）1.集成运算放大器能处理（C）。

A、直流信号；B、交流信号；C、交流信号和直流信号。

2. 为使电路输入电阻高、输出电阻低，应引入（A）。

"A、电压串联负反馈；B、电压并联负反馈；C、电流串联负反馈； D电流并联负反馈。

3. 在由运放组成的电路中，运放工作在非线性状态的电路是（D）。

A、反相放大器；B、差值放大器；C、有源滤波器；D、电压比较器。

4. 集成运放工作在线性放大区，由理想工作条件得出两个重要规律是（ C ）。

A、U＋＝U－＝0，i＋＝i－；B、U＋＝U－＝0，i＋＝i－＝0；C、U＋＝U－，i＋＝i－＝0；D、U＋＝U－＝0，i＋≠i－。

5．分析集成运放的非线性应用电路时，不能使用的概念是（B）。

·A、虚地；B、虚短；C、虚断。

6. 集成运放的线性应用存在（C）现象，非线性应用存在（B）现象。

A、虚地；B、虚断；C、虚断和虚短。

7. 理想运放的两个重要结论是（B）。

A、虚短与虚地；B、虚断与虚短；C、断路与短路。

8. 集成运放一般分为两个工作区，它们分别是（B）。

A、正反馈与负反馈；B、线性与非线性；C、虚断和虚短。

集成运放非线性应用及其在波形产生方面的实验一、实验目的1. 学会在集成运算放大器实现波形变换及波形产生。

二、实验所用仪器设备1. 测量仪器。

2. 模拟电路通用实验板（内含集成电路插座，电阻，电容等）。

3. 电子电路实验箱（F007两只）。

4. 6V稳压二极管两只（2CW7E）。

三、实验内容及要求1. 基本命题（1）设计一个正弦信号发生器，要求f0=5kHz±10%。

（2）设计一个单运放方波信号发生器，要求f0=500Hz±10%，输出幅度U PP为12V。

（3）设计一个占空比可调的单运放信号发生器，要求f0=2kHz±10%，输出幅度U PP为12V，占空比在40%~70%内可调。

根据以上实验任务设计线路，并用计算机仿真。

据计算机仿真实验结果，先在模拟通用实验板上搭建电路，调试达到设计要求。

2.扩展命题（1）设计一个双运放方波一三角波发生器，要求输出频率f0=2kHz±10％，三角波输出幅度Vpp大于3V。

（2）设计一个双运放锯齿波信号发生器，要求输出频率f0=2kHz±10％，输出幅度Vpp 大于6V。

四、实验说明及思路提示1.基本命题（1）正弦信号发生器正弦信号发生器如图1所示，图中R1，R2，C1和C2组成的文氏桥作为选频网络构成正反馈支路，R3, R P和R4构成负反馈支路。

R P用来调整负反馈的深度，以满足起针条件和改善波形。

利用二极管D1，D2正向导通电阻的非线性自动调节电路的闭环放大倍数，以稳定波形的幅度。

图1 正弦信号发生器当R1=R2=R，C1=C2=C时，电路的振荡频率为f0=12πRC（1）根据起振条件，负反馈电阻R FR3≥2，（2）式中：R F——负反馈支路电阻。

（2）方波与占空比可调的矩形波发生器图2（a）所示，它是一个单运放组成的方波信号发生器，A1通过其中R1与R F组成正反馈的迟滞比较器，运放同端的输入电压为u+=R1R1+R Fu o（3）电阻R P和电容C组成定时电路。

第7章集成运放组成的运算电路本章教学基本要求本章介绍了集成运放的比例、加减、积分、微分、对数、指数和乘法等模拟运算电路及其应用电路以及集成运放在实际应用中的几个问题。

表为本章的教学基本要求。

学完本章后应能运用虚短和虚断概念分析各种运算电路，掌握比例、求和、积分电路的工作原理和输岀与输入的函数关系，理解微分电路、对数运算电路、模拟乘法器的工作原理和输出与输入的函数关系，并能根据需要合理选择上述有关电路。

本章主要知识点1.集成运放线性应用和非线性应用的特点由于实际集成运放与理想集成运放比较接近，因此在分析、计算应用电路时，用理想集成运放代替实际集成运放所带来的误差并不严重，在一般工程计算中是允许的。

本章中凡未特别说明，均将集成运放视为理想集成运放。

集成运放的应用划分为两大类：线性应用和非线性应用。

（1）线性应用及其特点集成运放工作在线性区必须引入深度负反馈或是兼有正反馈而以负反馈为主，此时苴输出量与净输入量成线性关系，但是整个应用电路的输出和输入也可能是非线性关系。

集成运放工作在线性区时，它的输出信号/和输入信号（同相输入端"+和反相输入端〃一之差）满足式（7-1）〃。

=尙0+-工）（7-1）在理想情况下，集成运放工作于线性区满足虚短和虚断。

虚短：是指运放两个输入端之间的电压几乎等于零：虚断：是指运放两个输入端的电流几乎等于零。

即虚短：LL-U+"或虚断：/_ = /+能0(2)非线性应用及其特点非线性应用中集成运放工作在非线性区，电路为开坏或正反馈状态，集成运放的输出量与净输入量成非线性关系人工A°dQ_-6/+)。

输入端有很微小的变化量时，输出电压为正饱和电压或负饱和电压值(饱和电压接近正、负电源电压)，u_=u+为两种状态的转折点。

即当u_>u+时，u o = u OL当时，U°=U OH非线性应用中，集成运放在理想情况下，满足虚断，即/_=/+«0o2.运算电路及其分析方法基本运算电路的共同特点是集成运放接成负反馈形式，工作在线性放大状态，集成运放满足虚短和虚断。

电子技术知识判断题汇总1．晶体管放大器的输入电阻即为输出电阻，且等于晶体管的内阻。

（×）2．采用阻容耦合的多级放大电路，前后级的静态工作点相互影响。

（×）3．采用直接耦合的多级放大电路，前后级的静态工作点相互影响。

（√）4．分立元件组成的多级放大电路的耦合方式通常采用阻容耦合。

（√）5．多级放大电路间的耦合方式是指信号的放大关系。

（×）6．多级放大电路总的电压放大倍数等于各级电压放大倍数之积。

（√）7．多级放大电路总的电压增益等于各级电压增益之和。

（√）8．多级放大电路总的输入电阻等于第一级放大电路的输入电阻。

（√）9．多级放大电路总的输出电阻等于第一级放大电路的输出电阻。

（×）10．直流放大器主要放大直流信号，但也能放大交流信号。

（√）11．克服零点漂移最有效的措施是采用交流负反馈电路。

（×）12．硅稳压二极管稳压电路只适用于负载较小的场合，且输出电压不能任意调节。

（√）13．差动输入级是决定集成运算放大器性能最关键的一级，要求本级零点漂移小，共模抑制比高，输入阻抗尽可能低。

（√）14．共射极输出放大电路就是一个电压串联负反馈放大电路。

（×）15．非线性失真包括饱和失真、截止失真和交越失真等。

（√）16．放大电路的静态工作点过低造成的非线性失真称为截止失真。

（×）17．射极输出器是典型的电压串联负反馈放大电路。

（√）18．负反馈能改善放大电路的性能指标，将使放大倍数增大。

（×）19．集成运放电路线性应用必须加适当的负反馈。

（√）20．集成运放电路只能应用于运算功能电路。

（×）21．集成运放电路非线性应用要求开环或加正反馈。

（√）22．集成运放电路非线性应用必须加适当的负反馈。

（×）23．OCL功率放大器的主要特点是易于集成化。

（√）24．OTL功率放大器的主要特点是易于集成化。

（×）25．集成功率放大器的输出功率大、效率高。