1
第 9讲
第 12章 集成运算放大器
12.5.1限幅器
12.5.2电压比较器
12.5.3 迟滞比较器
12.6 信号发生器
12.6.1方波发生器
12.5 集成运放的非线性应用
2
12.5 集成运放的非线性应用
所谓非线性应用是指：由运放组成的
电路处于非线性状态，输出与输入的关
系 uo=f(ui)是非线性函数。
3
12.5.1 限幅器
t
ui
u0
t
UZ +UF
-(UZ +UF)
- +?
A uo
R1
RF
ui
DZ
R
+
1.双向稳压管接于输出端
R限流电阻
一般取 100 ?
特点：电路中的运放处于线性放大状态，但外围电路
有非线性元件（二极管、稳压二极管）。
DZ双向稳压管
UZ稳压值,UF正向压降
4
uo
ui0
传输特性D
Z
- +?
A uo
R1
RF
ui
+
2.双向稳压管接于负反馈回路上
UZ +UF
-(UZ +UF)
+UOM
-UOM
5
12.5.2 电压比较器
+ +? u
o
ui
UR
uo
ui0
+Uom
-Uom
UR
UR为参考电压
当 ui > UR时,uo = +Uom
当 ui < UR时,uo = -Uom
特点,运放处于
开环状态
6
+ +? u
oui
UR
uo
ui0
+Uom
-Uom UR
当 ui < UR时,uo = +Uom
当 ui >UR时,uo = -Uom
若 ui从反相端输入
电压比较器 (续 )
7
uo
ui0
+UOM
-UOM
+ +? u
o
ui
过零比较器, 当 UR =0时
+ +? u
ou
i
uo
ui0
+UOM
-UOM
电压比较器 (续 )
8
+ +? u
o
ui
t
ui
t
uo
+Uom
-Uom
例题：利用电压比
较器将正弦波变为
方波。
9
+ +?ui
uo
ui0
+UZ
-UZ
用稳压管稳定输出电压
uo
?UZ
uo
ui0
+UOM
-UOM
+ +? u
o
ui
忽略了 UF
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电压比较器的另一种形式：
将双向稳压管接在负反馈回路上
+
+
?ui u
o
?UZ
R ′
R _
uo
ui0
+UZ
-UZ
R ′=R
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12.5.3 迟滞比较器
1.迟滞比较器 (下行 )
特点,电路中使用正反馈,运放处于非线性状态
1、因为有正反馈，所以输
出饱和。
2、当 uo正饱和时 (uo =+UOM),
Hom
21
1
+ UURR
RU
+=+=
3、当 uo负饱和时 (uo =-UOM),
Lom
21
1
+ UURR
RU
+=+-=
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
U+
12
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
U+
迟滞比较器 (下行 )(续 )
uo
ui0
+Uom
-Uom
U+HU+L 设 ui ?,当 ui = < U+L,u
o从 -UOM ? +UOM
这时,uo =-UOM,U+= U+L
设初始值, uo =+UOM,U+= U+H
设 ui ?,当 ui = > U+H,
uo从 +UOM ? -UOM
13
传输特性
uo
ui0
+Uom
-Uom
U+HU+L
U+H上门限电压
U+L下门限电压
U+H - U+L称为回差
om
21
1 U
RR
R
+=HU+
om
21
1 U
RR
R
+= -LU+
14
t
ui
U+H
U+L
t
uo
Uom
-Uom
例,设输入为正弦波,画出输出的波形。
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
U+
15
R
21
2
om
21
1
H URR
RU
RR
RU
+
+
+
=+
R
21
2
om
21
1
L URR
RU
RR
RU
+
+
+
-=+
加上参考电压后的迟滞比较器 (下行 ),
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
UR
上下限：
uo
ui0
U+HU+L
传输特性
+UOM
-UOM
16
例题,R1=10k?,R2=20k ?, UOM=12V,UR=9V当
输入 ui为如图所示的波形时，画 出输出 uo的波形。u
o
ui0
U+HU+L
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
UR
传输特性
上下限：
R
21
2
om
21
1
H URR
RU
RR
RU
+
+
+
=+
=10V
R
21
2
om
21
1
L URR
RU
RR
RU
+
+
+
-=+
=2V
17
2V
10V
ui
uo
+UOM
-UOM
uo
ui0
U+HU+L
传输特性
+UOM
-UOM
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
UR
18
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
UR
uo
ui0
U+HU+L
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
U+
uo
ui0
+Uom
-Uom
U+HU+L
迟滞比较器 (下行 )两种电路 传输特性 的比较,
19
2.迟滞比较器 (上行 )
u+=0 时翻转，可以求出
上下门限电压。
0URR RuRR R om
21
1
i
21
2 =
+++
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
当 u+> u- =0时,uo= +UOM
当 u+< u- =0时,uo= -UOM
0URR RRR R om
21
1
21
2 =
+-+ u i
当 uo= -UOM
当 uo= +UOM
om
2
1
H UR
RU =
+
ui=
om
2
1
L UR
RU -=
+
ui=
20
U+HU+L
uo
ui0
Uom
-Uom
传输特性曲线
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
迟滞比较器 (上行 )(续 )
om
2
1
H UR
RU =
+
om
2
1
L UR
RU -=
+
上下门限电压
21
加上参考电压后的迟滞比较器 (上行 ),
?－
+ +
uo
R
R2R1
ui
UR
om
2
1
H UR
RU =
+
om
2
1
L UR
RU -=
+
上下门限电压
URURR RuRR R om
21
1
i
21
2 =
+++
当 uo= +UOM
当 uo= -UOM
URR RRR R om
21
1
21
2 =
+-+ u i UR
URR
2
RR 21 ++
URR
2
RR 21 ++
22
加上参考电压后的迟滞比较器 (上行 )传输特性,
?－
+ +
uo
R
R2R1
ui
UR
?－
+ +
uoR
R2R1
ui
对照
U+HU+L
uo
ui0
Uom
-Uom
U+HU+L
uo
ui0
Uom
-Uom
23
1.电路结构12.6.1方波发生器
下行的迟滞比较器，输出经积
分电路再输入到此比较器的输
入端。
om
21
1
H URR
RU
+
=+
om
21
1
L URR
RU
+
-=+
上下限,
－ ?
+ +
R
R1
R2
C
uc
uo
12.6 信号发生电路
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2.工作原理：
(1) 设 uo = + UOM,
此时，输出给 C 充电,uc ?
则,u+=U+H
－ ?
+ +
R
R1
R2
C
+
uc
uo
0 t
uo
UOM
-UOM
uc
U+H
0 t
一旦 uc > U+H,就有 u- > u+,
在 uc < U+H 时,u- < u+,
uo 立即由＋ UOM变成－ UOM
,设 uC初始值 uC(0+)= 0
方波发生器
uo保持 +UOM不变
UOM
25
此时,C 经输出端放电,再反向充电
(2) 当 uo = -UOM 时,u+=U+L
uc达到 U+L时,uo上翻
－ ?
+ +
R
R1
R2
C
+uc
uo
U+H
uc
t
U+L
当 uo 重新回到 ＋ UOM 以后，电路又进入另一个
周期性的变化。
-UOM
26
0
U+H
uc
t
U+L
UOM
uo
0 t
- UOM T
周期与频率的计算：
－ ?
+ +
R
R1
R2
C
+
uc
uo
)21l n (2
2
1
R
RRCT +=
f = 1/T 此期间是分析问题时的假设,实际上用
示波器观察波形时看不到这段波形,
27
周期与频率的计算：
－ ?
+ +
R
R1
R2
C
+
uc
uo 0
U+H
uc
t
U+L
+UOM
-UOM
T1 T2
T
T= T1 + T2 =2 T2,因正反向充电条件一样 T1 = T2。
uc(t)=UC (?)+?UC (0+) -UC (?)?e,?=RC-
t?
T2阶段 uc(t)的过渡过程方程为,
28
0
U+H
uc
t
U+L
+UOM
-UOM
T1 T2
T
uc(t)=UC (?)+?UC (0+) -UC (?)?e,?=RC-
t?
UC (0+)=
om
21
1
L URR
RU
+-=+
UC (?)=+UOM
om
21
1
H URR
RU
+=+
t=T2时,uc(t =T2)=
周期与频率的计算：
)21ln(
2
1
R
RRCT
2 +=
)21l n (2
2
1
R
RRCT +=
29
思考题,点 b 是电位器 RW 的中点，点 a 和点
c 是 b 的上方和下方的某点 。试定性画
出点电位器可动端分别处于 a,b,c 三
点 时的 uo - uc 相对应的波形图。
－
- +
?
+ +
RW
R1
R2
C
uc
uo
D1
D2
a
bc
设 Rwa> Rwc
UOM
uo
0 t
- UOM
30
本课作业
?－
+ +
R
R1
R2
C
uo
补充题,在方波发生器中,
R=10k?,C=0.1?F,
R2= R1= 10k?,计算方波
频率,画出 uo及 uc的波形，
设 UOM=14V。
uc