基于Protues的集成运放非线性应用仿真

张昌华，杨 庆

（湖北民族学院科技学院，湖北恩施 445000）

集成运算放大器（简称运放，integrated operational amplifier，OPA）是一种高增益多级直接耦合放大器，其内部结构如图1 所示［1］。

图1 运放的组成框图

集成运放的应用可以分为线性应用和非线性应用。在线性应用范畴，主要用于各种放大器和运算电路;在非线性应用范畴，主要用于构成比较器及其应用电路，如矩形波产生电路等。下面，对集成运放在非线性应用领域的应用进行讨论和仿真。

1 集成运放的非线性应用

1.1 单门限电压比较器

单门限电压比较器的电路如图2所示。这是一个同相比较器，即当Vi大于Vref时，输出电压约等于+Vcc;当输入电压小于Vref时，输出电压约等于-Vcc。

图2 单门限电压比较器

1.2 用单门限电压比较器构成的窗比较器

图3是一个用单门限电压比较器构成的窗比较器。它是由一个同相比较器和一个反相比较器组合而成。该电路的功能是，可以判断输入电压的值Vi是否介于下参考电压VRL与上参考电压VRH之间（所谓的窗）。如果VRL＜Vi＜VRH，窗比较器的输出电压值为0，如果输入电压Vi＜VRL或Vi＞VRH，则输出电压Vo将等于运放的饱和输出电压+VSAT（+VSAT比+Vcc小1.4 V左右）。可以用发光二极管判别窗比较器的输出电平。窗比较器广泛用于信号的电平监测与报警［2］。

图3 窗比较器电路图

1.3 迟滞比较器

反相输入迟滞比较器原理图如图4所示［3］。

图4 迟滞比较器电路

其上门限电压为:

下门限电压为:

由于迟滞比较器的运放处于正反馈状态，因此一般情况下，输出电压Vo与输入电压Vi不成线性关系。只有在输出电压Vo发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间的电压才近似认为等于0，即VID=0或Vp=Vn=Vi是输出电压Vo转换的临界条件，当Vi＞Vp，输出电压为低电平VOL;反之，为高电平VOH。

1.4 利用迟滞电压比较器构成方波发生器

方波发生器的电路如图5所示［4］。

回差电压为:

图5 方波发生器电路

该电路产生的方波信号频率为:

式中，R为R3与RV1之和。通过调节RV1可以改变信号频率。

仿真波形中方波为电路的输出波形，下面的波形是电容器充放电波形。

图6 方波发生器仿真波形

1.5 利用迟滞比较器和积分电路构成三角波方波发生器

把迟滞比较器和积分电路首尾相接形成正反馈闭环系统，如图7 所示［5］。

迟滞比较器U1输出的方波经积分电路U2积分即可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波-方波发生器。

图7 三角波方波发生器电路图

图8 方波-三角波电路输出仿真波形

电路的振荡频率为

方波输出幅值为:

三角波输出幅值为:

调节RV2可以改变方波和三角波的频率，也可以改变C1粗调频率［6］。

综上所述，集成运放的非线性应用与线性应用一样，在模拟电路中都具有十分重要的地位。正确掌握集成运放的非线性应用对电子设计人员是非常必要的。

［1］谢自美.电子线路设计·实验·测试［M］.第3版.武汉:华中科技大学出版社，2006.

［2］朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等.Protues教程—电子线路设计、制版与仿真［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［3］周润景，张丽娜.基于Protues的电路及单片机系统设计与仿真［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［4］杨素行.模拟电子技术基础简明教程［M］.第3版.北京:高等教育出版社，2006.

［5］赵淑范，董鹏中.电子技术实验与课程设计［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［6］彭介华.电子技术课程设计指导［M］.北京:高等教育出版社，1997.