-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。

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。

第四节 集成运放的非线性应用一、集成运放非线性应用的重要结论运放电路在开环或正反馈的情况下，工作在非线性区。

由图3-3-2可见，此时输出电压只有两个值：1．当u P>u N时，u o=+U o（sat）；2．当u P<u N时，u o=－U o（sat）；运放工作在非线性区时，u P≠u N，“虚短”已不再成立，但仍然有i P=i N=0，即“虚断”仍然成立。

这是集成运放非线性应用的重要结论，也是非线性应用电路的分析要领之所在。

二、信号处理电路集成运放不仅可以对信号进行运算，还可以对信号进行处理，包括信号的滤波、比较与选择、采样与保持等。

其中，电压比较器为典型的集成运放非线性应用电路。

电压比较器常用于超限报警、模数转换以及非正弦波产生等电路。

它将输入电压与参电压的幅度进行比较，并由输出电压反映所比较的结果。

集成运放用作比较器时，常工作于开环状态，只要输入电压与参考电压不相等（即使是微小的差别），输出就立即饱和。

为了改善输入、输出特性，可在电路中引入正反馈。

因此，电压比较器可分为单值比较器和滞回比较器两类。

1．单值电压比较器图3-4-1所示是一个简单的单值电压比较器电路及其传输特性图。

图中，运放的同相输入端接参考电压U REF，反相输入端接输入电压u i。

运放处于开环工作状态，当u i>U REF时，输出电压u o=－U o（sat）；当u i<U REF时，输出电压u o=+U o（sat）。

特别地，若运放的同相输入端接地，则参考电压为U REF=0V，这时的电压比较器称为过零比较器。

当过零比较器的输入信号u i为正弦波时，输出电压为正负宽度相同的矩形波，如仿真电路及输出波形3-4-2所示。

由于比较器中的运放输入端u P ≠u N ，为了避免净输入过大损坏运放，在输入端可串接电阻或并联二极管。

另外，为适应后级电路需要，减小输出电压，可在输出电路中采用稳压管限幅，如图3-4-3所示。

实验2.4 集成运放的非线性应用一、实验目的1、加深理解集成运放非线性应用的原理及特点。

2、熟悉对波形变换与波形发生电路的设计方法。

3、加深对波形变换与波形发生电路的工作原理的理解并掌握其波形及特性参数的测试方法。

二、实验原理1、滞回电压比较器图 2.4.1（a ）所示为反相输入滞回电压比较器。

其中，R 1、R 2构成正反馈电路，R O 、Dz 构成输出双向限幅电路。

由于引入了正反馈，故运放工作在非线性状态下，具有“虚断”和“虚短跳变”的特性。

当u i 由负值正向增加到大于等于其阈值电压U th1时，输出u o 将由正的最大值U OH 跳变为负的最大值U OL ；反过来，图2.4.2当u i 由正值反向减小到小于等于其阈值电压U th2时,u o 则由负的最大值U OL 跳变至正的最大值U OH 。

上述这一（输入—输出）特性（即传输特性）如图2.4.1（b ）所示。

（a ）滞回电压比较器Ru 0(b) 传输特性曲线 u i模拟电子技术实验根据“虚短跳变”的条件，可以求得这两个阈值电压分别为2、过零比较器过零比较器如图2.4.2（a）所示，运算放大器工作在非线性状态，其输入和输出的关系为Ui>0 Uo=-UzUi<0 Uo=+UzUi=0 状态转变传输特性如图2.4.2(b)所示。

3、波形变换电路滞回电压比较器可以直接用作波形变换。

例如，当输入的ui为一正弦波时（或任何周期性非正弦波），其输出uo则为一矩形波，如图2.4.3所示。

很显然，这一变换只有在Um 大于Uth1及时才能发生，否则uo将始终为UOH或UOL。

此外，当Uth1与Uth2的绝对值相等时（对于图2.4.1的电路而言），uo为对称的矩形波，否则uo 为不对称的矩形波。

OHthURRRU2121+=OLthURRRU2122+=2thU(a) 过零比较器(b) 传输特性曲线U iU0图2.4.24、三角波—方波发生电路图2.4.4（a ）是一种最基本的三角波—方波发生电路;（b ）则为其工作波形。

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。