电工电子实验之运算放大器的非线性应用

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研究现代电子技术的发展使得电子设备日益小型化、高效化和多功能化。

在各种电子设备中，运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种十分重要的电子元件。

运算放大器主要用于信号放大、信号滤波和信号变换等电路中，其性能的好坏直接影响到电子设备的取样精度、信噪比和响应速度等指标。

然而，在实际应用中，运算放大器的非线性特性经常会产生一系列问题。

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应用研究。

一、运算放大器的非线性特性解析运算放大器作为一种基本电路元件，其输出信号与输入信号的关系应该是线性的，即输出信号与输入信号之间存在一个比例关系。

然而，在实际应用中，运算放大器存在一定的非线性特性，主要表现为增益非线性和相位非线性。

1.1 增益非线性增益非线性是指运算放大器在输入信号较小的范围内，其输出信号的增益不随输入信号的变化而线性变化。

具体表现为输入输出特性曲线的局部不是一条直线，而是呈现出曲线的形状。

增益非线性的主要原因是运算放大器内部存在一些非线性元件或因素，如饱和效应、偏置电压不准确等。

1.2 相位非线性相位非线性是指运算放大器在输入信号较大的范围内，其输出信号的相位不随输入信号的变化而线性变化。

相位非线性主要是由运算放大器的频率响应特性不均匀引起的。

具体表现为输入输出信号的相位差不是严格的线性关系。

二、运算放大器非线性特性的应用研究考虑到运算放大器的非线性特性对其在实际应用中的影响，许多研究人员对该问题进行了深入的研究，并提出了一系列的解决方案和应用技巧。

2.1 非线性补偿技术非线性补偿技术是通过引入补偿电路或采用特殊的电路结构，来消除或减小运算放大器的非线性特性。

例如，采用反馈电路、加入补偿电容或调整工作点等方法，可以有效地减小运算放大器的非线性误差。

2.2 非线性特性的校准利用校准技术对运算放大器的非线性特性进行校准，使得其在一定的输入范围内具备较好的线性关系。

实验4.7 运算放大器的非线性应用一、实验目的1.进一步了解运算放大器的传输特性2.进一步了解运算放大器开环及引入正反馈时的应用特点3.学会用运放构成电压比较器，矩形波，三角波，锯齿波发生器二、实验仪器与器件1.双路稳压电源一台2.示波器一台3.数字万用表一台4.集成运算放大器A741 2块5.定值电阻若干6.电容若干7.双向稳压管1只8.DC信号源3个9.100K电位器2只三、实验原理当运算放大器处于开环或接入正反馈时，其传输特性为非线性此种状态下的运算放大器工作在非线性状态，称之为运算放大器的非线性应用。

运算放大器非线性应用时，选择合理的电路结构和外接器件，可构成各种电压比较器和各种信号产生电路。

在电压比较器中，比较特殊和常见的的有过零比较器、基准电压为nV的电压比较器和迟滞电压比较器。

信号产生电路可以输出正弦波、三角波、矩形波。

此外，通过调整电路元件参数和结构，还可改变矩波形的占空比，积分得到锯齿波；通过电路的运算功能可实现不同波形的转换，例如正弦波经滤波得到三角波，三角波和正弦波经比较电路可得到矩形波，矩形波经积分可得到三角波。

四、实验内容实验要求1.利用EWB对预习中的设计电路进行仿真，调整确定器件参数2.根据仿真确定的电路和器件进行电路连接，构成满足要求的电路1.用运算放大器构成一个基准电压为2V的电压比较器。

图1-1 基准电压为2V的电压比较器图1-2基准电压为2V的电压比较器特性曲线2.用运算放大器构成一个迟滞比较器。

图2-1 迟滞比较器图2-2 迟滞比较器特性曲线3.用运算放大器构成一个既能产生矩形波又能产生三角波的电路。

图3-1 既能产生矩形波又能产生三角波的电路图3-2 输出波形4.运算放大器构成产生锯齿波的电路。

图4-1 锯齿波产生电路图4-2锯齿波产生电路输出波形五、实验总结具体电路图的结构、元件参数、和仿真结果、（1）（2）的传输特性和（3）（4）的输出波形可参考仿真抓屏文件。

实验: 集成运算放大器的非线性应用电路一、实验目的1.掌握单限比较器、滞回比较器的设计、测量和调试方法。

2.掌握电压比较器应用电路电压传输特性的测试方法。

3.学习集成电压比较器在电路设计中的应用。

二、实验内容CCV+87651234OE IN-IN+CCV-LM311OCBAL/STRB BAL图1 741Aμ和LM311的引脚图1. 电压比较器（SPOC实验、Multisim仿真实验）（1）学习SPOC实验内容，利用Multisim仿真软件，按图2接好电路，电阻R1=R2=10kΩ，电阻R3为5.1kΩ。

由函数信号发生器调出1000Hz，峰峰值为5V，偏移量为0V的正弦交流电压加至iu端。

按表中给定数值改变直流信号源输入电压U R。

利用示波器通道1测量输入iu电压波形，通道2测量输出ou端的矩形波波形如图3所示。

其中稳压管VS选取：“DIODE”→“ZENER”→“1N5233B”iuou图2 电压比较器图3 输出电压波形（2）按表1中给定值调节U R的大小，用示波器观察输出矩形波的变化，测量测量HT和T的数值，并记入表1中。

表1电压比较器的测量0 1000 492.518 0.5 1000 945.454 11000 436.052截图仿真电路图：当U R =1V 时，截取输入i u 和输出o u 的电压波形：2. 反相滞回比较器电路（SPOC 实验、Multisim 仿真实验）1) 学习SPOC 实验内容，利用仿真软件，按图4所示的电路选择电路元件，接好电路。

其中稳压管VS 选取：“DIODE ”→“ZENER ” →“1N5233B ”-++81R iu ou 2R FR 3R 10k Ω10k Ω100k Ω5.1k ΩVS图4 反相滞回比较器仿真电路图截图：2) i u 接频率为1kHz ，峰峰值为2V 的正弦信号，观察并截取输入i u 和输出o u 的波形。

要求示波器的通道1接输入电压波形，通道2接输出电压波形。

实验题目集成运算放大器的非线性应用（3学时）一、实验目的：
１．加深理解集成运算放大器在波形产生方面的应用。

２．掌握RC串并联选频网络特性的测试方法和振荡频率的测量方法。

二、预备知识：
1．复习集成运算放大器的非线性应用。

2．学习使用集成运算放大器设计一个正弦波发生器。

3．完成预习报告。

三、实验项目：
1．RC串并联网络测试。

（１）测试其频率特性，并绘制曲线，求出f0；
（２）测试其输出函数；
（３）改变电容C的容量，并测试f0。

２．正弦波发生器的研究。

（１）设计并组装正弦波发生器电路。

（２）测试负反馈对振荡器的影响。

（３）测量振荡平衡条件——即负反馈放大器的电压放大倍数A uf。

（４）振荡频率测量。

（５）完成实验报告，要求：
①画出所设计的实验电路。

②列表、整理实验数据。

③分析误差原因。

④回答思考题。

四、思考题：
若电路元件完好、且安装无错，但仍不能产生振荡，使分析可能产生的原因。

毕业设计85集成运算放大器的非线性应用—限幅电路限幅电路是一种常用的非线性应用电路，常用于将信号限制在特定范围内。

在毕业设计中，我们可以利用85集成运算放大器设计一个限幅电路，用于限制输入信号在一定的电压范围内。

本文将对限幅电路的原理、设计步骤以及一些使用注意事项进行详细介绍。

限幅电路的原理是利用85集成运算放大器的饱和特性，将输入信号的幅值限制在一定的范围内。

具体实现的方式如下：首先，将输入信号接入到放大器的非反馈输入端口，并通过负反馈将输出信号反馈到反馈输入端口。

然后，在反馈路径上连接两个二极管，其方向相反。

当输入信号的幅值超过二极管的正向或反向导通电压时，二极管将开始导通，将反馈路径截断，从而限制输出信号的幅值。

设计限幅电路时，我们需要首先确定输入信号的幅值范围，然后选择合适的二极管。

一般情况下，我们会选择正向导通电压为0.7V的硅二极管。

接下来，我们需要计算二极管电流。

根据放大器的输入电流要求，我们可以选择合适的电阻值来限制二极管电流。

然后，根据输入电阻和电压放大倍数，计算出所需的反馈电阻值。

最后，根据反馈电阻和二极管电流，计算反馈电压。

在设计过程中，需要注意以下几点。

首先，输入信号的幅值范围应该小于放大器的饱和电压范围，以保证限幅电路的正常工作。

其次，选择的二极管应具有良好的温度稳定性和高导通能力。

此外，设计过程中应注意功耗和功率稳定性等问题。

在实际应用中，限幅电路常用于音频信号放大器、电压稳定器等电路中，用于限制输入信号的幅值，保护后续电路和设备免受过大幅值信号的损害。

总结起来，限幅电路是一种常用的非线性应用电路，可以通过利用85集成运算放大器的饱和特性，将输入信号的幅值限制在一定的范围内。

设计限幅电路需要确定输入信号的幅值范围，选择合适的二极管，并进行电流和电压的计算。

在实际应用中，限幅电路常用于保护电路和设备免受过大幅值信号的损害。

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。