1、 實(shí)驗(yàn)4.7 運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 進(jìn)一步了解運(yùn)算放大器的傳輸特性2. 進(jìn)一步了解運(yùn)算放大器開環(huán)及引入正反饋時(shí)的應(yīng)用特點(diǎn)3. 學(xué)會(huì)用運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器，矩形波，三角波，鋸齒波發(fā)生器二、實(shí)驗(yàn)儀器與器件1. 雙路穩(wěn)壓電源一臺(tái)2. 示波器一臺(tái)3. 數(shù)字萬用表一臺(tái)4. 集成運(yùn)算放大器A741 2塊5. 定值電阻若干6. 電容若干7. 雙向穩(wěn)壓管1只8. DC信號(hào)源3個(gè)9. 100K電位器2只三、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)運(yùn)算放大器處于開環(huán)或接入正反饋時(shí)，其傳輸特性為非線性此種狀態(tài)下的運(yùn)算放大器工作在非線性狀態(tài)，稱之為運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用。運(yùn)算放大器非線性應(yīng)用時(shí)，選擇合理的電路結(jié)構(gòu)和外接器件，可構(gòu)

2、成各種電壓比較器和各種信號(hào)產(chǎn)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(zhǔn)電壓為nV的電壓比較器和遲滯電壓比較器。信號(hào)產(chǎn)生電路可以輸出正弦波、三角波、矩形波。此外，通過調(diào)整電路元件參數(shù)和結(jié)構(gòu)，還可改變矩波形的占空比，積分得到鋸齒波；通過電路的運(yùn)算功能可實(shí)現(xiàn)不同波形的轉(zhuǎn)換，例如正弦波經(jīng)濾波得到三角波，三角波和正弦波經(jīng)比較電路可得到矩形波，矩形波經(jīng)積分可得到三角波。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)要求1. 利用EWB對(duì)預(yù)習(xí)中的設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，調(diào)整確定器件參數(shù)2. 根據(jù)仿真確定的電路和器件進(jìn)行電路連接，構(gòu)成滿足要求的電路1. 用運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)電壓為2V的電壓比較器。 圖1-1 基準(zhǔn)電壓為2V

3、的電壓比較器圖1-2基準(zhǔn)電壓為2V的電壓比較器特性曲線2. 用運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)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(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)既能產(chǎn)生矩形波又能產(chǎn)生三角波的電路。圖3-1 既能產(chǎn)生矩形波又能產(chǎn)生三角波的電路圖3-2 輸出波形4. 運(yùn)算放大器構(gòu)成產(chǎn)生鋸齒波的電路。圖4-1 鋸齒波產(chǎn)生電路圖4-2鋸齒波產(chǎn)生電路輸出波形五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)具體電路圖的結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)、和仿真結(jié)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(yùn)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(huì)達(dá)到飽和

4、值。利用這一特點(diǎn)，我們將集成運(yùn)算放大器做成電壓比較電路。當(dāng)U+>U-時(shí)，輸出值為+Uo(sat)；當(dāng)U+<U-時(shí)，輸出值為-Uo(sat)。當(dāng)出于特殊需要時(shí)，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(zhǔn)電壓為nV的電壓比較器。如果我們將基準(zhǔn)電壓設(shè)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(gè)輸入管腳完全是等立的，即可以隨便設(shè)定兩個(gè)輸入管腳或是接地或是接受信號(hào)，不影響使用，單輸出特性曲線不同，具體使用可根據(jù)需求而定。 對(duì)于電壓比較電路，我們?nèi)绻胝答亜t就做成了遲滯電壓比較器。假設(shè)我們最先輸入的是高電壓信號(hào)，輸出端立即輸出-Uo(sat)，經(jīng)限流電阻

5、和穩(wěn)壓二極管作用，反饋電路接收到電壓信號(hào)為-6V，反饋信號(hào)為-6V*R1/（R1+R2）-0.6V，也就是閾值電壓-Uz。信號(hào)電壓不斷減小，當(dāng)?shù)陀?0.6V時(shí)，輸出端立即變?yōu)?Uo(sat)，同理在電壓增大時(shí)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(hào)產(chǎn)生電路：矩形波-三角波信號(hào)產(chǎn)生電路是由一遲滯電壓比較器和積分電路共同構(gòu)成的，前者負(fù)責(zé)產(chǎn)生矩形波，后者負(fù)責(zé)對(duì)矩形波進(jìn)行積分產(chǎn)生三角波，兩部分互相配合才能輸出正確協(xié)調(diào)的波形。接通后，電路工作一段時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)uo1為-Uz時(shí)，可運(yùn)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(xiàng)是A1的輸出電壓uo1單獨(dú)作用時(shí)（A2輸出端接地短路，即uo2=0）的A1的同鄉(xiāng)輸入端的電位；第二項(xiàng)是A2的輸出電壓單獨(dú)作用時(shí)（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?yōu)?Uz，必須在u+1=u-1=0時(shí)，uo=UZR2/R1即當(dāng)uo上升到時(shí)UZR2/R1，uo才從-Uz變?yōu)?Uz。同理當(dāng)uo1從+Uz變?yōu)?Uz時(shí)，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?yōu)?Uz，也必須在u+1=u-1=0時(shí)，這時(shí)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(duì)于鋸齒波發(fā)生器，電路與上述的三角波發(fā)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(shí)正負(fù)反相積分的時(shí)間常數(shù)大小不等，故兩者積分速率明顯不同。當(dāng)uo1為+Uz時(shí)，二極管D導(dǎo)通，估積分時(shí)間常數(shù)為（R4R4）CF，遠(yuǎn)小于uo1為-Uz時(shí)的積分時(shí)間常數(shù)R4CF?？梢姡?fù)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(shí)，出現(xiàn)了很多問題，有一個(gè)很奇怪的問題不能解決。對(duì)于一個(gè)電路剛開始連接出現(xiàn)問題，之后經(jīng)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(shí)如果新建一