集成运放的非线性应用优化

在集成运放的非线性应用电路中，运放一般工作在开环或仅正反馈状态，而运放的增益很高，在非负反馈状态下，其线性区的工作状态是极不稳定的，因此主要工作在非线性区，实际上这正是非线性应用电路所需要的工作区。

电压比较电路是用来比较两个电压大小的电路，在自动控制、越限报警、波形变换等电路中得到应用。

由集成运放所构成的比较电路，其重要特点是运放工作于非线性状态。开环工作时，由于其开环电压放大倍数很高，因此，在两个输入端之间有微小的电压差异时，其输出电压就偏向于饱和值；当运放电路引入适时的正反馈时，更加速了输出状态的变化，即输出电压不是处于正饱和状态（接近正电源电压+VCC），就是处于负饱和状态（接近负电源电压-VEE），处于运放电压传输特性的非线性区。由此可见，分析比较电路时应注意：

① 比较器中的运放，“虚短”的概念不再成立，而“虚断”的概念依然成立。

② 应着重抓住输出发生跳变时的输入电压值来分析其输入/输出关系，画出电压传输特性。

电压比较器简称比较器，它常用来比较两个电压的大小，比较的结果（大或小）通常由输出的高电平UOH或低电平UOL来表示。

1.简单电压比较器

简单电压比较器的基本电路如图4-15（a）所示，它将一个模拟量的电压信号uI和一个参考电压UREF相比较。模拟量信号可以从同相端输入，也可从反相端输入。图4-15（a）所示的信号为反相端输入，参考电压接于同相端。

图4-15　简单电压比较器的基本电路

当输入信号ui＜UREF时，输出即为高电平uo=UOH（+VCC）。

当输入信号ui＞UREF时，输出即为低电平uo=UOL（-VEE）。

显然，当比较器输出为高电平时，表示输入电压ui比参考电压UREF小；反之当输出为低电平时，则表示输入电压ui比参考电压UREF大。

根据上述分析，可得到该比较器的传输特性如图4-15（b）中实线所示。可以看出，传输特性中的线性放大区（MN段）输入电压变化范围极小，因此可近似认为MN与横轴垂直。

通常把比较器的输出电压从一个电平跳变到另一个电平时对应的临界输入电压称为阈值电压或门限电压，简称为阈值，用符号UTH表示。对这里所讨论的简单比较器，有UTH=UREF。

也可以将图4-15（a）所示电路中的UREF和ui的接入位置互换，即ui接同相输入端，UREF接反相输入端，则得到同相输入电压比较器。不难理解，同相输入电压比较器的阈值仍为UREF，其传输特性如图4-15（b）中虚线所示。

作为上述两种电路的一个特例，如果参考电压UREF=0（该端接地），则输入电压超过零时，输出电压将产生跃变，这种比较器称为过零比较器。

2.迟滞电压比较器

当基本电压比较电路的输入电压若正好在参考电压附近上下波动时，不管这种波动是信号本身引起的还是干扰引起的，输出电平必然会跟着变化翻转。这表明虽然简单电压比较器结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力差。在实际运用中，有的电路过分灵敏会对执行机构产生不利的影响，甚至使之不能正常工作。实际电路希望输入电压在一定的范围内，输出电压保持原状不变。滞回比较电路就具有这一特点。

迟滞比较器电路如图4-16（a）所示，由于输入信号由反相端加入，因此为反相迟滞比较器。为限制和稳定输出电压幅值，在电路的输出端并接了两个互为串联反向连接的稳压二极管。同时通过R3将输出信号引到同相输入端即引入了正反馈。正反馈的引入可加速比较电路的转换过程。由运放的特性可知，外接正反馈时，滞回比较电路工作于非线性区，即输出电压不是正饱和电压（高电平UOH），就是负饱和电压（低电平UOL），二者大小不一定相等。设稳压二极管的稳压值为UZ，忽略正向导通电压，则比较器的输出高电平UOH≈UZ，输出低电平UOL≈-UZ。

当运放输出高电平时（uo=UOH≈UZ），根据“虚断”，有uN=uP，运放同相端输入电压为参考电压UREF和输出电压UZ共同作用的结果，利用叠加定理有：

图4-16　迟滞比较器(www.xing528.com)

又因为输入信号ui=uN，所以此时的输入电压和uP比较，令uP=UTH1，UTH1称为上阈值电压。

当运放输出低电平时（uo=UOL≈-UZ），根据“虚断”，有uN=uP，同理可得

令uP=UTH2，UTH2称为下阈值电压。

得到了两个阈值电压，显然有UTH1＞UTH2。

当输入信号ui=uN＜uP时，比较器输出高电平uo=UOH，此时比较器的阈值为UTH1；当增大ui直到ui=uN＞UTH1时，才有uo=UOL，输出高电平翻转为低电平，此时比较器的阈值变为UTH2；若ui反过来又由较大值（＞UTH1）开始减小，则在略小于UTH1时，输出电平并不翻转，而是减小ui直到ui=uN＜UTH2时，才有uo=UOH，输出低电平翻转为高电平，此时比较器的阈值又变为UTH1。以上过程可以简单概括为，输出高电平翻转为低电平的阈值为UTH1，输出低电平翻转为高电平的阈值为UTH2。

由上述分析可得到迟滞比较器的传输特性，如图4-16（b）所示。可见该比较器的传输特性与磁滞回线类似，故称为迟滞（或滞回）比较器。

特别是当UREF=0时，相应的传输特性如图4-16（c）所示，两个阈值则为

显然有UTH2=-UTH1。

如图4-16（d）所示为UREF=0的迟滞比较器在ui为正弦电压时的输入和输出电压波形。显然，其输出的方波较过零比较器延迟了一段时间。

由于迟滞比较器输出高、低电平相互翻转的阈值不同，因此具有一定的抗干扰能力。当输入信号值在某一阈值附近时，只要干扰量不超过两个阈值之差的范围，输出电压就可保持高电平或低电平不变。

令两个阈值之差为ΔU，则

称为回差电压。回差电压是表明滞回比较器抗干扰能力的一个参数。

另外，由于迟滞比较器输出高、低电平相互翻转的过程是在瞬间完成的，即具有触发器的特点，因此它又称为施密特触发器。

电压比较器将输入的模拟信号转换成输出的高低电平，输入模拟电压可能是温度、压力、流量、液面等通过传感器采集的信号，因而它首先广泛用于各种报警电路；另外，电压比较器在自动控制、电子测试、模数转换、各种非正弦波的产生和变换电路中也得到广泛的应用。

3.集成电压比较器

随着集成技术的不断发展，根据比较器的工作特点和要求，集成电压比较器得到了广泛应用，现在市场上用得比较多的产品有LM239/LM339系列、LM293/LM393系列和LM111/LM211/LM311系列。LM293/LM393系列为双电压比较器，LM239/LM339系列为四电压比较器，LM111/LM211/LM311系列为单电压比较器：它们都是集电极开路输出，均可采用双电源或单电源方式供电，供电电压从±5 V到±15 V。LM111/LM211/LM311的不同在于工作温度分别为−55 °C到+125 °C、−25 °C到+85 °C、0 °C到70 °C。如图4-17所示为LM311的引脚图。

图4-17　LM311的引脚

图4-18所示为LM311在超声波接收器中的应用电路图。JSQ为超声波接收器，接收发射器发射过来的超声波信号。TL082为双集成运放，由于信号比较微弱，经过两级放大后至LM311电压比较器的反相输入端，调节电位器，使当没有超声波时LM311输出为零，当有超声波信号时电压比较器有输出。由于是集电极开路门，输出端通过一个上拉电阻至+5V，以便和单片机IO口电压相匹配。

图4-18　LM311的应用电路

集成电压比较器除了用作比较器功能外，通过不同的接法，还可以组成不同的用途的电路，如继电器驱动电路、振荡器、电平检测电路等等。