非線性運(yùn)算放大器的應(yīng)用電路

除了明顯的放大應(yīng)用外，運(yùn)算放大器還可用于大量其它應(yīng)用和電路。在本文中，小編將簡單介紹一些常用的非線性運(yùn)算放大器電路。在非線性運(yùn)算放大器電路中，輸入/輸出特性是非線性的，即不在一條直線上。

非線性運(yùn)算放大器應(yīng)用電路

運(yùn)算放大器以及線性電路也廣泛用于配置非線性電路，即輸出相對(duì)于輸入變化呈現(xiàn)非線性變化的電路。這些電路通常稱為開關(guān)電路，其輸出在正負(fù)飽和電壓電平之間切換。最常用的非線性運(yùn)算放大器應(yīng)用電路配置包括過零檢測器、施密特觸發(fā)器、非穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。

過零檢測器電路

過零檢測器是運(yùn)算放大器開關(guān)電路中最簡單的電路配置，在這種配置中，輸入信號(hào)被施加到一個(gè)輸入端，而另一個(gè)輸入端接地。該電路不需要反饋連接。

1、同相過零檢測器

如果輸入信號(hào)源連接到運(yùn)放的同相輸入端，反相輸入端接地，則該電路稱為同相過零檢測器，電路圖如下圖所示：

當(dāng)輸入信號(hào)高于地電平時(shí)，電路的輸出在其正極端處飽和。當(dāng)輸入低于地電平時(shí)，電路的輸出電壓立即切換到其負(fù)飽和電平。每當(dāng)輸入信號(hào)越過零電壓電平時(shí)，輸出就會(huì)在一個(gè)飽和電平和另一個(gè)飽和電平之間切換。由于上述電路的輸出在施加的輸入電壓為正時(shí)進(jìn)入正飽和狀態(tài)，因此該電路被歸類為同相過零檢測器。典型同相過零檢測器的輸入和輸出波形如上圖所示，無論輸入波的形狀如何，輸出始終是矩形波。

2、反相過零檢測器

如果輸入信號(hào)加到運(yùn)算放大器的反相輸入端，而同相輸入端接地，則該電路稱為反相過零檢測器，電路如下圖所示。

當(dāng)輸入高于地電平時(shí)，輸出在負(fù)極端電壓下飽和。當(dāng)輸入電壓低于地電平時(shí)，輸出立即切換到正飽和電壓。由于當(dāng)輸入為正時(shí)輸出在負(fù)電壓下飽和，因此該電路稱為反相過零檢測器。反相過零檢測器的輸入和輸出波形如上圖所示。

施密特觸發(fā)器電路

帶有反饋連接(通常為正)的過零檢測器電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)電路具有明確的預(yù)定義輸入電壓上限和下限，可觸發(fā)輸出從一個(gè)飽和電平切換到另一個(gè)飽和電平。

典型施密特觸發(fā)器的電路如上圖所示。輸入電壓 V in被施加到反相輸入端，一部分輸出電壓通過分壓器網(wǎng)絡(luò)作為反饋連接到非反相輸入端。 每當(dāng)輸入電壓超過某個(gè)預(yù)定電壓電平時(shí)，輸入電壓V in觸發(fā)輸出電壓V out從一個(gè)飽和電平變?yōu)榱硪粋€(gè)飽和電平。這些電壓電平稱為上閾值電壓 (V UT ) 和下閾值電壓 (V LT )。

施密特觸發(fā)器電路的輸入輸出波形如上圖所示?？梢钥闯?，只要輸入電壓V in小于上限閾值電壓V UT，輸出電壓就在其正極端+V sat處飽和。當(dāng)輸入電壓超過V UT時(shí)，輸出立即切換到其負(fù)飽和電平 -V sat。

上下觸發(fā)點(diǎn)(閾值電壓)可以通過使用數(shù)學(xué)關(guān)系得到：

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

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

上述方程式表明，通過適當(dāng)選擇電阻器R1和R2的值，可以精確地調(diào)整和控制閾值的上限和下限。

使用運(yùn)算放大器的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

通過向過零檢測器或施密特觸發(fā)器電路添加外部元件來構(gòu)建運(yùn)放非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路。非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器是使用運(yùn)算放大器的非線性電路配置(輸出相對(duì)于輸入呈非線性變化)，無需任何外部觸發(fā)即可生成方波。該電路沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個(gè)準(zhǔn)狀態(tài)，輸出在這兩個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)之間連續(xù)振蕩。

非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器基本上是一個(gè)振蕩器，因?yàn)樗恍枰獠棵}沖來觸發(fā)它。出于這個(gè)原因，該電路通常被稱為自由運(yùn)行振蕩器。但是，該電路為運(yùn)算放大器使用直流電源。一個(gè)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器可以配置為產(chǎn)生所需頻率、幅度和占空比的方波。

使用運(yùn)算放大器的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路圖如下圖所示。該電路是施密特觸發(fā)器配置，具有反饋連接，并在反相輸入端包括一個(gè)輸入電容器。

當(dāng)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路輸出處于其正飽和電平時(shí)，電流通過反饋電阻器R1流入電容器C。這對(duì)電容器充電，頂板為正極。電容器充電，直到其電壓達(dá)到施密特觸發(fā)器的上限觸發(fā)電壓。此時(shí)，電路的輸出立即切換到其負(fù)飽和電平?，F(xiàn)在沒有電流流入電容器，因此電容器開始放電。電容器的放電一直持續(xù)到電容器電壓達(dá)到施密特觸發(fā)器的較低觸發(fā)電壓。輸出切換到其正飽和水平并重復(fù)循環(huán)。

可以注意到，該電路是一個(gè)方波發(fā)生器，其輸出在運(yùn)算放大器的正負(fù)飽和電壓電平之間擺動(dòng)。輸出方波的頻率取決于電容C和反饋電阻值R1。

非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的輸出和電容電壓波形如下圖所示。

通過在R2和R3之間串聯(lián)一個(gè)電位計(jì)，可以使用相同的電路配置在一定范圍內(nèi)生成頻率可調(diào)的方波。通過調(diào)節(jié)電位器的阻值，可以改變輸出方波的頻率。

運(yùn)算放大器單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

顧名思義，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器是一種具有一個(gè)穩(wěn)定輸出狀態(tài)的電路，它的正常輸出電壓可能高或低，并保持在該狀態(tài)直到被觸發(fā)。當(dāng)施加觸發(fā)脈沖時(shí)，輸出切換到相反狀態(tài)的時(shí)間取決于電路的RC組件。

使用運(yùn)算放大器的典型單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路如上圖所示，運(yùn)算放大器的反相輸入端通過電阻 R3接地，同相輸入端由電阻R1和R2 正向偏置。 這導(dǎo)致輸出正常處于正飽和電平，電容C 2充電極性如圖所示。

當(dāng)輸入脈沖V in施加到電容器C 1時(shí)，輸入由C 1和電阻器R 3區(qū)分，從而在運(yùn)算放大器反相輸入端產(chǎn)生正負(fù)尖峰。二極管D1將負(fù)尖峰限制在-0.7V，因此負(fù)尖峰對(duì)電路沒有影響。正尖峰將反相輸入端電壓升高到非反相輸入端的偏置電壓之上。因此，運(yùn)算放大器輸出切換到其負(fù)飽和電平。尖峰的持續(xù)時(shí)間非常短，反相輸入電壓很快回到零。然而，當(dāng)輸出變?yōu)樨?fù)飽和時(shí)，電容器C 2驅(qū)動(dòng)同相輸入電壓。這在尖峰消失后將非反相輸入端子保持在地電平以下，從而將輸出保持在負(fù)飽和電平。

當(dāng)輸出處于其負(fù)飽和電平時(shí)，電容器C 2開始通過電阻器R1和R2放電，逐漸將同相輸入電壓升高到地電平。當(dāng)同相輸入電壓略高于地電平時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出立即切換到正飽和電平，電路恢復(fù)到原始狀態(tài)。輸出波的脈沖寬度取決于電容C2和偏置電壓V R2還取決于電阻R1和R2。

單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的輸入和輸出波形如上圖所示。

關(guān)于運(yùn)算放大器線性區(qū)和非線性區(qū)的區(qū)別

1.線性區(qū)運(yùn)算放大器(接深度負(fù)反饋)

在線性區(qū)，它的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)滿足如下關(guān)系;

Vo=Aod(V+ - V-)

通常，集成運(yùn)放的Aod很大，為了使其工作在線性區(qū)，大都引入深度負(fù)反饋，以減小運(yùn)放的凈輸入，保證輸出電壓不超出線性范圍。

2.非線性區(qū)運(yùn)算放大器(開環(huán)或接正反饋)

輸出電壓與輸入電壓之間Vo≠Aod(V+ - V-)

即：線性是有負(fù)反饋的，有負(fù)反饋才可能工作在線性范圍，輸出是1:1的增持關(guān)系。而非線性放大是一個(gè)特定的輸入增益強(qiáng)度的壓縮策略，輸出功能是不維持1:1和振幅的增長之間的關(guān)系。