運算放大器的非線性應用

1、 實驗4.7 運算放大器的非線性應用一、 實驗目的1. 進一步了解運算放大器的傳輸特性2. 進一步了解運算放大器開環及引入正反饋時的應用特點3. 學會用運放構成電壓比較器，矩形波，三角波，鋸齒波發生器二、實驗儀器與器件1. 雙路穩壓電源一臺2. 示波器一臺3. 數字萬用表一臺4. 集成運算放大器A741 2塊5. 定值電阻若干6. 電容若干7. 雙向穩壓管1只8. DC信號源3個9. 100K電位器2只三、實驗原理當運算放大器處于開環或接入正反饋時，其傳輸特性為非線性此種狀態下的運算放大器工作在非線性狀態，稱之為運算放大器的非線性應用。運算放大器非線性應用時，選擇合理的電路結構和外接器件，可構

2、成各種電壓比較器和各種信號產生電路。在電壓比較器中，比較特殊和常見的的有過零比較器、基準電壓為nV的電壓比較器和遲滯電壓比較器。信號產生電路可以輸出正弦波、三角波、矩形波。此外，通過調整電路元件參數和結構，還可改變矩波形的占空比，積分得到鋸齒波；通過電路的運算功能可實現不同波形的轉換，例如正弦波經濾波得到三角波，三角波和正弦波經比較電路可得到矩形波，矩形波經積分可得到三角波。四、實驗內容實驗要求1. 利用EWB對預習中的設計電路進行仿真，調整確定器件參數2. 根據仿真確定的電路和器件進行電路連接，構成滿足要求的電路1. 用運算放大器構成一個基準電壓為2V的電壓比較器。 圖1-1 基準電壓為2V

3、的電壓比較器圖1-2基準電壓為2V的電壓比較器特性曲線2. 用運算放大器構成一個遲滯比較器。圖2-1 遲滯比較器圖2-2 遲滯比較器特性曲線3. 用運算放大器構成一個既能產生矩形波又能產生三角波的電路。圖3-1 既能產生矩形波又能產生三角波的電路圖3-2 輸出波形4. 運算放大器構成產生鋸齒波的電路。圖4-1 鋸齒波產生電路圖4-2鋸齒波產生電路輸出波形五、實驗總結具體電路圖的結構、元件參數、和仿真結果、（1）（2）的傳輸特性和（3）（4）的輸出波形可參考仿真抓屏文件。電路的工作原理：（1）電壓比較器：由集成運算放大器的特性可知只要量輸出端有微小的電壓差，通常在幾mV左右，其輸出端就會達到飽和

4、值。利用這一特點，我們將集成運算放大器做成電壓比較電路。當U+>U-時，輸出值為+Uo(sat)；當U+<U-時，輸出值為-Uo(sat)。當出于特殊需要時，我們將某一輸入管腳固定在某一特定的電壓值上，就做成了基準電壓為nV的電壓比較器。如果我們將基準電壓設為0V，則做成了過零比較器。在這種情況下，由于未引入任何反饋，兩個輸入管腳完全是等立的，即可以隨便設定兩個輸入管腳或是接地或是接受信號，不影響使用，單輸出特性曲線不同，具體使用可根據需求而定。 對于電壓比較電路，我們如果引入正反饋則就做成了遲滯電壓比較器。假設我們最先輸入的是高電壓信號，輸出端立即輸出-Uo(sat)，經限流電阻

5、和穩壓二極管作用，反饋電路接收到電壓信號為-6V，反饋信號為-6V*R1/（R1+R2）-0.6V，也就是閾值電壓-Uz。信號電壓不斷減小，當低于-0.6V時，輸出端立即變為+Uo(sat)，同理在電壓增大時可得到另一閾值電壓Uz=0.6V。這就是遲滯電壓比較器的工作原理。（2）信號產生電路：矩形波-三角波信號產生電路是由一遲滯電壓比較器和積分電路共同構成的，前者負責產生矩形波，后者負責對矩形波進行積分產生三角波，兩部分互相配合才能輸出正確協調的波形。接通后，電路工作一段時間達到穩定。當uo1為-Uz時，可運用疊加定理求出U1端同相輸入電壓的電位U+1=-UzR2/(R1+R2)+uoR1/(

6、R1+R2)式中：第一項是A1的輸出電壓uo1單獨作用時（A2輸出端接地短路，即uo2=0）的A1的同鄉輸入端的電位；第二項是A2的輸出電壓單獨作用時（A1的輸出端接地短路，即uo1=0）的A1的同相輸入端的電位。比較器的參考電壓UR=u-1=0。要使uo1從-Uz變為+Uz，必須在u+1=u-1=0時，uo=UZR2/R1即當uo上升到時UZR2/R1，uo才從-Uz變為+Uz。同理當uo1從+Uz變為-Uz時，U1端同相輸入電壓的電位為U+1=-UzR2/(R1+R2)+uoR1/(R1+R2)要使uo1從+Uz變為-Uz，也必須在u+1=u-1=0時，這時uo=-UZR2/R1如此周期性的變化，U1輸出的是矩形波電壓uo1，U2輸出的是三角波電壓uo。對于鋸齒波發生器，電路與上述的三角波發生器的電路基本相同，只是積分電路的反相輸入端的電阻R4分為兩路，時正負反相積分的時間常數大小不等，故兩者積分速率明顯不同。當uo1為+Uz時，二極管D導通，估積分時間常數為（R4R4）CF，遠小于uo1為-Uz時的積分時間常數R4CF。可見，正負向積分的速率相差很大，T2<<T1，從而形成鋸齒波電壓。在做電路時，出現了很多問題，有一個很奇怪的問題不能解決。對于一個電路剛開始連接出現問題，之后經過修改，確定所有問題都沒有了，但就是不能得出理想輸出。這時如果新建一