非线性运算放大器的应用电路

Baekhyn0506 2022-08-23 7683

模拟技术

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描述

除了明显的放大应用外，运算放大器还可用于大量其它应用和电路。在本文中，小编将简单介绍一些常用的非线性运算放大器电路。在非线性运算放大器电路中，输入/输出特性是非线性的，即不在一条直线上。

非线性运算放大器应用电路

运算放大器以及线性电路也广泛用于配置非线性电路，即输出相对于输入变化呈现非线性变化的电路。这些电路通常称为开关电路，其输出在正负饱和电压电平之间切换。最常用的非线性运算放大器应用电路配置包括过零检测器、施密特触发器、非稳态和单稳态多谐振荡器。

应用电路

过零检测器电路

过零检测器是运算放大器开关电路中最简单的电路配置，在这种配置中，输入信号被施加到一个输入端，而另一个输入端接地。该电路不需要反馈连接。

1、同相过零检测器

如果输入信号源连接到运放的同相输入端，反相输入端接地，则该电路称为同相过零检测器，电路图如下图所示：

应用电路

当输入信号高于地电平时，电路的输出在其正极端处饱和。当输入低于地电平时，电路的输出电压立即切换到其负饱和电平。每当输入信号越过零电压电平时，输出就会在一个饱和电平和另一个饱和电平之间切换。由于上述电路的输出在施加的输入电压为正时进入正饱和状态，因此该电路被归类为同相过零检测器。典型同相过零检测器的输入和输出波形如上图所示，无论输入波的形状如何，输出始终是矩形波。

2、反相过零检测器

如果输入信号加到运算放大器的反相输入端，而同相输入端接地，则该电路称为反相过零检测器，电路如下图所示。

应用电路

当输入高于地电平时，输出在负极端电压下饱和。当输入电压低于地电平时，输出立即切换到正饱和电压。由于当输入为正时输出在负电压下饱和，因此该电路称为反相过零检测器。反相过零检测器的输入和输出波形如上图所示。

施密特触发器电路

带有反馈连接(通常为正)的过零检测器电路构成施密特触发器，施密特触发电路具有明确的预定义输入电压上限和下限，可触发输出从一个饱和电平切换到另一个饱和电平。

应用电路

典型施密特触发器的电路如上图所示。输入电压 V in被施加到反相输入端，一部分输出电压通过分压器网络作为反馈连接到非反相输入端。每当输入电压超过某个预定电压电平时，输入电压V in触发输出电压V out从一个饱和电平变为另一个饱和电平。这些电压电平称为上阈值电压 (V UT ) 和下阈值电压 (V LT )。

应用电路

施密特触发器电路的输入输出波形如上图所示。可以看出，只要输入电压V in小于上限阈值电压V UT，输出电压就在其正极端+V sat处饱和。当输入电压超过V UT时，输出立即切换到其负饱和电平 -V sat。

上下触发点(阈值电压)可以通过使用数学关系得到：

V UT = [R2.(+Vsat)]/(R1+R2) and VLT = R2.(-Vsat)/(R1+R2)

如果，R2/(R1+R2) = β, 则有，VUT = β (+Vsat) and VLT = β (-Vsat)

上述方程式表明，通过适当选择电阻器R1和R2的值，可以精确地调整和控制阈值的上限和下限。

使用运算放大器的非稳态多谐振荡器

通过向过零检测器或施密特触发器电路添加外部元件来构建运放非稳态多谐振荡器电路。非稳态多谐振荡器是使用运算放大器的非线性电路配置(输出相对于输入呈非线性变化)，无需任何外部触发即可生成方波。该电路没有稳定的输出状态，只有两个准状态，输出在这两个准稳态之间连续振荡。

非稳态多谐振荡器基本上是一个振荡器，因为它不需要外部脉冲来触发它。出于这个原因，该电路通常被称为自由运行振荡器。但是，该电路为运算放大器使用直流电源。一个非稳态多谐振荡器可以配置为产生所需频率、幅度和占空比的方波。

使用运算放大器的非稳态多谐振荡器电路图如下图所示。该电路是施密特触发器配置，具有反馈连接，并在反相输入端包括一个输入电容器。

应用电路

当非稳态多谐振荡器电路输出处于其正饱和电平时，电流通过反馈电阻器R1流入电容器C。这对电容器充电，顶板为正极。电容器充电，直到其电压达到施密特触发器的上限触发电压。此时，电路的输出立即切换到其负饱和电平。现在没有电流流入电容器，因此电容器开始放电。电容器的放电一直持续到电容器电压达到施密特触发器的较低触发电压。输出切换到其正饱和水平并重复循环。

可以注意到，该电路是一个方波发生器，其输出在运算放大器的正负饱和电压电平之间摆动。输出方波的频率取决于电容C和反馈电阻值R1。

非稳态多谐振荡器的输出和电容电压波形如下图所示。

应用电路

通过在R2和R3之间串联一个电位计，可以使用相同的电路配置在一定范围内生成频率可调的方波。通过调节电位器的阻值，可以改变输出方波的频率。

运算放大器单稳态多谐振荡器

顾名思义，单稳态多谐振荡器是一种具有一个稳定输出状态的电路，它的正常输出电压可能高或低，并保持在该状态直到被触发。当施加触发脉冲时，输出切换到相反状态的时间取决于电路的RC组件。

应用电路

使用运算放大器的典型单稳态多谐振荡器电路如上图所示，运算放大器的反相输入端通过电阻 R3接地，同相输入端由电阻R1和R2 正向偏置。这导致输出正常处于正饱和电平，电容C 2充电极性如图所示。

当输入脉冲V in施加到电容器C 1时，输入由C 1和电阻器R 3区分，从而在运算放大器反相输入端产生正负尖峰。二极管D1将负尖峰限制在-0.7V，因此负尖峰对电路没有影响。正尖峰将反相输入端电压升高到非反相输入端的偏置电压之上。因此，运算放大器输出切换到其负饱和电平。尖峰的持续时间非常短，反相输入电压很快回到零。然而，当输出变为负饱和时，电容器C 2驱动同相输入电压。这在尖峰消失后将非反相输入端子保持在地电平以下，从而将输出保持在负饱和电平。

应用电路

当输出处于其负饱和电平时，电容器C 2开始通过电阻器R1和R2放电，逐渐将同相输入电压升高到地电平。当同相输入电压略高于地电平时，运算放大器的输出立即切换到正饱和电平，电路恢复到原始状态。输出波的脉冲宽度取决于电容C2和偏置电压V R2还取决于电阻R1和R2。

单稳态多谐振荡器的输入和输出波形如上图所示。

关于运算放大器线性区和非线性区的区别

1.线性区运算放大器(接深度负反馈)

在线性区，它的输出信号和输入信号满足如下关系;

Vo=Aod(V+ - V-)

通常，集成运放的Aod很大，为了使其工作在线性区，大都引入深度负反馈，以减小运放的净输入，保证输出电压不超出线性范围。

2.非线性区运算放大器(开环或接正反馈)

输出电压与输入电压之间Vo≠Aod(V+ - V-)

即：线性是有负反馈的，有负反馈才可能工作在线性范围，输出是1:1的增持关系。而非线性放大是一个特定的输入增益强度的压缩策略，输出功能是不维持1:1和振幅的增长之间的关系。

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