集成运放电路的非线性应用鉴定方案

问：集成运放电路的非线性应用有哪几个方面？

答：集成运放的非线性应用是指运放工作在其特性的非线性区，运放内部的晶体管都工作在饱和区或截止区，运放的输入/输出信号为非线性关系。这种应用方式的基本电路是比较器，用比较器可以组成电平比较、波形产生以及波形变换等各种应用电路。

（1）电压（电平）比较器 电压比较器的电路及传输特性如图2-8a所示。电压比较器的基本功能是对送到集成运放两个输入端的两个电平进行比较，并在输出端给出比较的结果。其输入信号可以是一个模拟电压与参考电压的比较，也可以是两个模拟电压的比较。作为比较结果的输出信号则是两种不同的电平，即高电平或低电平。因而可知，在电压比较器中的集成运放主要工作在非线性区，只有分析临界转换工作情况时才能应用“虚短”和“虚断”的概念。

在电压比较器中，参考电压U_REF加于反相输入端，它可以是正值，也可以是负值，输入电压U_i则加于运放的同相输入端。这时，运放处于开环状态，具有极大的开环电压增益。当输入电压U_i略大于参考电压U_REF时，运放处于正饱和状态，输出端似乎就应该得到一个极大的正电压，由于受到集成运放电源电压的限幅，所以输出电压U_o就接近于正电源电压+U_CC；当输入电压U_i降低到略小于参考电压U_REF时，运放立即转入负饱和状态，输出电压U_o就接近于负电源电压-U_CC。电压比较器的输入/输出关系称为电路的传输特性，如图3-8b所示。当运放工作在开环状态下时，运放的输出只能是正电源电压或负电源电压，不可能得到其他数值，所以根据电压比较器输出端的电压值，就可以很容易地判别输入端究竟是U_i＞U_REF，还是U_i＜U_REF，这就是电压比较器的工作原理。

如果将图2-8a中的输入电压U_i与参考电压U_REF互相交换一下位置，如图2-8c所示。此时比较器同样可以工作，只是在U_i＞U_REF时输出为-U_EE，而在U_i＜U_REF时输出为+U_CC，也就是说它的传输特性颠倒了，如图2-8d所示。

图2-8 电压比较器的电路及传输特性

如果电压比较器的参考电压U_REF=0，则输入电压每次过零时，输出就要产生突然的变化。这种比较器称为“过零比较器”。

电压比较器常用作波形变换使用，它可以把连续变化的输入波形变换成矩形波；或者可以作为电压是否超过了规定数值的检测；也可以和传感器配合使用，作为某一物理量（如温度、压力、位移等）是否超过了整定值的检测。

（2）迟滞比较器 在电压比较器中，电路的抗干扰性能较差，如果输入电压在参考电压附近有微小的波动，则输出电压就会不断翻转。为了提高电路的抗干扰性能，可以采用迟滞比较器。

在电压比较器的基础上，通过R₁和R₂把输出电压的一部分加到放大器的同相端，就组成了迟滞比较器。具有正反馈的迟滞比较器（又称施密特触发器），如图2-9所示。迟滞比较器的输入/输出传输特性，如图2-9b所示。可见，它与电压比较器的传输特性有明显的区别，由于它具有迟滞回线形状，该电路由此得名。

当输入电压增大或减小时，翻转点的电平是不一样的。具体情况分析如下：输出电压+U_CC=-U_EE=15V，当输入电压为较大的负值时，输出电压应为+U_C；对应此时运放同相端的电压（即翻转电压）应为

图2-9 迟滞比较器的电路及传输特性

当输入电压逐渐增大到略大于U′时，输出电压翻转为-U_EE。由于正反馈的作用，这一翻转的过程是很快的，此时运放同相端的电压也相应改变为负值，即

当输出电压翻转以后，减小输入电压使其小于翻转电压U′，由于同相端的翻转电压已经变为U″，所以电路不可能再次翻转。只有当输入电压减小到比U″略小一些之后才会再次翻转。那么，使用这样的电路来进行波形的变换，输入电压在大于U′使得输出电压翻转之后，即使输入电压有波动，只要输入电压不波动到小于U″，电路也是不会再次发生翻转的。由此可见，该电路的抗干扰能力得到了大大地提高。

（3）非正弦波发生器

1）方波发生器。方波发生器是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生器。它是在迟滞比较器的基础上，增加了一个由R_f、C充放电路和双向稳压管组成的双向限幅方波发生器，如图2-10a所示。电路的正反馈系数F为

在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏于正饱和还是负饱和，那纯属是偶然。设输出电压为正饱和值，即u_o=U_Z时，加到集成运放同相端的电压为U′=FU_Z，而加于反向输入端的电压u_C，由于电容C的电压不能突变，所以只能由输出电压u_o通过电阻R_f按指数规律向电容C充电来建立。待电容电压上升到略大于FU_Z时，输出电压翻转为负饱和值，电容放电，电容电压随指数规律下降，待电容电压下降到略小于U″=-FU_Z时，输出状态再翻转回来，如此循环，形成一系列的方波输出。电容电压u_C与输出电压u_o的波形如图2-10b所示。

图2-10 方波发生器(www.xing528.com)

该电路的振荡周期与电路的时间常数RC和翻转点的电压大小有关，也就是说与R₁、R₂的比值有关。其振荡周期为

2）锯齿波发生器。锯齿波发生器由集成运放N1组成的迟滞比较器和集成运放N2组成的积分器所构成，如图2-11a所示。集成运放N1组成的迟滞比较器输出u_o1为+U_Z或-U_Z的方波。迟滞比较器是在运算放大器同相输入端的电压过零时翻转的，当同相输入端的电压小于零时就输出-U_Z，否则就输出+U_Z。积分器的输出电压u_o作为迟滞比较器的输入电压，其波形如图2-11b所示。当运算放大器同相输入端的电压过零时，翻转点的电压u_o为

图2-11 锯齿波发生器

假设迟滞比较器初始时输出正电压+U_Z，二极管VD承受正向电压而导通，迟滞比较器输出正电压+U_Z通过电阻R₄对积分器中的电容C进行充电，由集成运放N2组成的积分器输出线性下降的负电压，当其输出电压u_o降到翻转电压U″时，迟滞比较器输出发生翻转，u_o输出负电压-U_Z。此时积分器的输出电压u_o上升，二极管VD截止，电容C只有通过电阻R₅才能放电然后反向充电。因为电阻R₅比R₄要大得多，所以输出电压u_o的上升速度很慢。当积分器输出电压上升到了翻转电压U′时，比较器输出再次翻转，u_o1输出正电压+U_Z，积分器输出电压u_o又会以较快的速度下降，当达到U″时，电路再次翻转，重复上述振荡过程。

在电路发生翻转的过程中，输出电压从U″上升到U′，其上升的幅度为2U′，电路输出的锯齿波上升时的斜率为U_Z/（R₅C），由此可得上升时间T为

当忽略二极管正向压降时，下降时间T₂的估算值为

整个波形的周期T为T₁与T₂之和。一般R₅远大于R₄，即T₁远大于T₂，故可取T≈T₁。

输出的方波幅值为双向稳压二极管的输出电压±U_Z，输出锯齿波的幅值为U′和U″，其波形如图2-11b所示。锯齿波的幅值与频率不能分别调节是这一电路的最大缺点，在调节锯齿波的幅值时，需要改变电阻R₂与R₁的比值，但此时输出的频率也将随之改变。

3）三角波发生器。当锯齿波发生器中积分器充放电的时间常数相同，也就是锯齿波的波形上升时间T₁与波形下降时间T₂相等时，锯齿波就可以成为三角波，因此，只需将锯齿波发生器电路中的二极管去掉，电路就变成一个三角波发生器了。但三角波的输出幅值与频率不能分别调节的缺点仍然存在。图2-12所示的三角波发生器，可以在调节三角波的输出幅值时不影响到频率，调节频率时也不影响到输出幅值，即幅值与频率可以分别调节。

图2-12 三角波发生器

从图2-12中的电路可见，三角波发生器由三个集成运放组成，集成运放N1是积分器，起到调节振荡频率的作用，输入电压的大小由电位器RP1进行调节，输出为三角波；集成运放N2是电平比较器，其反向输入端的两个输入信号分别由电压u_o1、u_o3通过电阻R₃、R₄提供，当两个信号大小相等、极性相反时，N2的输出就会翻转，由于二极管VD₁、VD₂的限幅作用，其输出电压u_o2为±0.7V的方波；集成运放N3也是一个电平比较器，输出方波，通过电位器RP2、RP3可以调节其输出方波的正向、负相幅值，如果RP2、RP3采用同轴电位器，则输出方波的正、负幅值相等。

电路的工作过程分析如下：设电路初始输出的电压u_o3为正，正电压u_o3通过RP1的调节作为积分器的输入电压，此时积分器输出线性下降的负电压u_o1；当电压u_o1下降到与u_o3的幅值相同（极性相反）时，N2的输出电压发生翻转，由-0.7V变成为+0.7V，N3在输入为+0.7V的情况下输出的电压u_o3翻转为负电压，改变了积分器输入电压的极性，使积分器输出电压开始上升，当输出u_o1上升到u_o3幅度值相等（极性相反）时，N2、N3再次反转翻转产生振荡。

整个周期为T=T₁+T₂。

输出正、负限幅值不同时的波形，如图2-12b所示。

【试题精选】滞回比较器的比较电压是（BB）。

（A）固定的 （B）随输出电压而变化

（C）输出电压可正可负 （D）与输出电压无关