电子技术基础项目化教程课件 项目五 集成运算放大电路的应用 5.4.1 集成运算放大器的非线性应用

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常见的非正弦信号产生电路有方波、三角波产生电路等。由于在非正弦波信号产生电路中经常要用到电压比较器，这里先介绍电压比较器的基本工作原理。5.4.1集成运算放大器的非线性应用下页上页首页1.单值电压比较器

电压比较器的基本功能是对两个输入信号电压进行比较，并根据比较的结果相应输出高电平电压或低电平电压。电压比较器除广泛应用于信号产生电路外，还广泛应用于信号处理和检测电路等。如在控制系统中，经常将一个信号与另一个给定的基准信号进行比较，根据比较的结果，输出高电平电压或低电平的开关量电压信号，去实现控制动作，采用集成运算放大器可以实现电压比较器的功能。下页上页首页（1）电路和工作原理

由集成运放组成的单值电压比较器如图5-42（ａ）所示，为开环工作状态。加在反相输入端的信号

与同相输入端给定的基准信号

进行比较。

由前面的章节已知，若为理想集成运放，其开环电压放大倍数趋向于无穷大，因此有：

下页上页首页图5-42单值电压比较器

上式中

为运放输入端的差模输入电压，

和

为运放负向和正向输出电压的最大值，此值由运放电源电压和器件参数而定。

由上式可作出输出与输入的电压变化关系，称为电压传输特性，如图5-42（ｂ）所示。若原先输入信号

，输出为

，当

由小变大时，只要稍微大于

。则输出

由跳变为

；反之亦然。

如果将

加在同相输入端，而

加在反相输入端，这时的电压传输特性如图5-42（ｂ）中虚线所示。下页上页首页

若在图5-42（ａ）电路中，若，即同相输入端直接接地，这时的电压传输特性将平移到与纵坐标重合，称之为过零比较器。

在比较器中，我们把比较器的输出电压uo从一个电平跳变到另一个电平时刻所对应的输入电压值称为门限电压（或阈值电压），用UT表示。对应上述电路UT=UREF。由于上述电路只有一个门限电压值，故称单值电压比较器。UT值是分析输入信号变化使输出电平翻转的关键参数。（2）单值电压比较器的应用

单值电压比较器主要用于波形变换、整形以及电平检测等电路。1）正弦波转换成单向尖脉冲的电路

电路如图5-43（ａ）所示，由同相过零比较器、微分电路及限幅电路组成。过零比

较器的传输特性如图5-43（ｂ）所示。下页上页首页图5-43过零比较器

设输入信号

为正弦波，如图5-43（c）所示，在

过零时，比较器输出即跳变一次，故

为正、负相间的方波；再经过时间常数

（

为正弦波的周期）的微分电路，输出

为正、负相间的尖脉冲；然后由二极管

和负载

限幅后，输出

为正尖脉冲信号。2）电平检测器

如图5-44（ａ）所示电路用以判定输入信号是否达到或超过某测试电平。由图可知，作为输出限幅的稳压管VS并不影响输出翻转条件。由于

，因此当

过零（即

）时，输出发生翻转，由此可求得门限电压

。下页上页首页图5-44电平检测器

从电路可列出

，令

，求得门限电压为

故

即

为检测比较器的测试电平。

由门限电压可作出电压传输特性曲线如图5-44（ｂ）所示。当

，输出为负向最大值，使稳压管VS正向导通，输出限幅为

；当

，输出为正向最大值，使稳压管VS反向导通，输出限幅为UZ。下页上页首页2.迟滞电压比较器

上面所介绍的电压比较器工作时，如果在门限电压附近有微小的干扰，就会导致状态翻转使比较器输出电压来稳定而出现错误阶跃，为了克服这一缺点，常将比较器输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，将待比较电压ui加到反相输入端，参考电压

通过

接到运算放大器的同相输入端，如图5-45（ａ）所示，把图（ａ）所示电路称为反相型（或下行）迟滞电压比较器，也称为反相型（或下行）施密特触发器。下页上页首页下页上页首页图5-45迟滞电压比较器

当

足够小时，比较器输出高电平

，此时同相输入端电压用

表示，利用叠加原理可求得

随着

的不断增大，当

时，比较器输出由高电平变为低电平

，此时的同相输入端电压用

表示，其大小变为

显然，

，因此，当

再增大时，比较器将维持输出低电平

。下页上页首页

反之，当

由大变小时，比较器先输出低电平

，运放同相输入端电压为

，只有当

到

时，比较器的输出电压将由低电平

又跳变到高电平

，此时运放同相输入端电压又变为

，

继续减小，比较维持输出高电平

。所以，可得反相型迟滞电压比较器的传输特性如图5-45（ｂ）所示。可见，它有两个门限电压

和

，分别称为上门限电压和下门限电压，两者的差值称为门限宽度（或回差电压）

下页上页首页

调节

和

可改变

。