基于Protues的集成運(yùn)放非線性應(yīng)用仿真

摘要：集成運(yùn)算放大器是電子系統(tǒng)中最重要的模擬器件。它的應(yīng)用主要分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用。在非線性應(yīng)用中，運(yùn)算放大器構(gòu)成的單門限電壓比較器、遲滯比較器是構(gòu)成矩形波、三角波和鋸齒波等信號(hào)產(chǎn)生電路的核心模塊。在此主要討論利用Protues平臺(tái)對(duì)集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用設(shè)計(jì)及仿真。
關(guān)鍵詞：Protues；集成運(yùn)放；非線性應(yīng)用；仿真

    集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱運(yùn)放，integrated operational amplitier，OPA)是一種高增益多級(jí)直接耦合放大器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    集成運(yùn)放的應(yīng)用可以分為線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用。在線性應(yīng)用范疇，主要用于各種放大器和運(yùn)算電路；在非線性應(yīng)用范疇，主要用于構(gòu)成比較器及其應(yīng)用電路，如矩形波產(chǎn)生電路等。下面，對(duì)集成運(yùn)放在非線性應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行討論和仿真。

1 集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用
1．1 單門限電壓比較器
    單門限電壓比較器的電路如圖2所示。這是一個(gè)同相比較器，即當(dāng)Vi大于Vref時(shí)，輸出電壓約等于+Vcc；當(dāng)輸入電壓小于Vref時(shí)，輸出電壓約等于-Vcc。

1．2 用單門限電壓比較器構(gòu)成的窗比較器
    圖3是一個(gè)用單門限電壓比較器構(gòu)成的窗比較器。它是由一個(gè)同相比較器和一個(gè)反相比較器組合而成。該電路的功能是，可以判斷輸入電壓的值Vi是否介于下參考電壓VRL與上參考電壓VRH之間(所謂的窗)。如果VRL<Vi<VRH，窗比較器的輸出電壓值為0，如果輸入電壓Vi<VRL或Vi>VRH，則輸出電壓Vo將等于運(yùn)放的飽和輸出電壓+VSAT(+VSAT比+Vcc小1．4V左右)。可以用發(fā)光二極管判別窗比較器的輸出電平。窗比較器廣泛用于信號(hào)的電平監(jiān)測(cè)與報(bào)警。

1．3 遲滯比較器
    反相輸入遲滯比較器原理圖如圖4所示。

   
   
    由于遲滯比較器的運(yùn)放處于正反饋狀態(tài)，因此一般情況下，輸出電壓Vo與輸入電壓Vi不成線性關(guān)系。只有在輸出電壓Vo發(fā)生跳變瞬間，集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電壓才近似認(rèn)為等于0，即VID=0或Vp=Vn=Vi是輸出電壓Vo轉(zhuǎn)換的臨界條件，當(dāng)Vi>Vp，輸出電壓為低電平VOL；反之，為高電平VOH。
1．4 利用遲滯電壓比較器構(gòu)成方波發(fā)生器
    方波發(fā)生器的電路如圖5所示。

    該電路產(chǎn)生的方波信號(hào)頻率為：
   
    式中，R為R3與RV1之和。通過(guò)調(diào)節(jié)RV1可以改變信號(hào)頻率。
    仿真波形中方波為電路的輸出波形，下面的波形是電容器充放電波形。

1．5 利用遲滯比較器和積分電路構(gòu)成三角波方波發(fā)生器
    把遲滯比較器和積分電路首尾相接形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如圖7所示。

    遲滯比較器U1輸出的方波經(jīng)積分電路U2積分即可得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)形成方波，這樣即可構(gòu)成三角波-方波發(fā)生器。
   
    調(diào)節(jié)RV2可以改變方波和三角波的頻率，也可以改變C1粗調(diào)頻率。
    綜上所述，集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用與線性應(yīng)用一樣，在模擬電路中都具有十分重要的地位。正確掌握集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用對(duì)電子設(shè)計(jì)人員是非常必要的。