1.9 非线性运算放大器电路

除了常见的放大应用外，运放还可以用于许多其他应用和电路。在本教程中，我们将学习一些常用的非线性运放电路。在非线性运放电路中，输入/输出特性是非线性的，即不在一条直线上。

引言

运算放大器不仅用于线性电路，还广泛用于配置非线性电路，即输出相对于输入的变化呈非线性变化的电路。这些电路通常被称为开关电路，其输出在正负饱和电压水平之间切换。最常用的电路配置是过零检测器、施密特触发器、无稳态和单稳态多谐振荡器。

过零检测器

过零检测器是运放开关电路中最简单的配置。在这种配置中，输入信号施加到其中一个输入端，而另一个输入端接地。这种电路不需要反馈连接。

非反相过零检测器

如果将输入信号源连接到运放的非反相输入端，而反相输入端接地，则该电路称为非反相过零检测器。电路图如下图所示。

当输入信号高于地电平时，电路的输出在其正极端饱和。当输入信号低于地电平时，电路的输出电压立即切换到其负饱和水平。每当输入信号穿过零电压水平时，输出在两个饱和水平之间切换。由于上述电路在施加的输入电压为正时输出进入正饱和，因此该电路被归类为非反相过零检测器。典型的非反相过零检测器的输入和输出波形如上图所示。无论输入波的形状如何，输出始终为矩形波。

反相过零检测器

如果将输入信号施加到运放的反相输入端，而非反相输入端接地，则该电路称为反相过零检测器。电路如下图所示。

当输入信号高于地电平时，输出在其负极端饱和。当输入电压低于地电平时，输出立即切换到正饱和电压。由于输入为正时输出在负电压处饱和，因此该电路被称为反相过零检测器。反相过零检测器的输入和输出波形如上图所示。

施密特触发器电路

带有反馈连接（通常是正反馈）的过零检测器电路构成了施密特触发器。施密特触发器电路具有明确预定义的上下输入电压水平，这些水平触发输出在两个饱和水平之间切换。

典型的施密特触发器电路如下图所示。输入电压 $V_{in}$ 施加到反相输入端，部分输出电压通过分压网络作为反馈连接到非反相输入端。每当输入电压超过某些预定义的电压水平时，输入电压 $V_{in}$ 触发输出电压 $V_{out}$ 从一个饱和水平切换到另一个饱和水平。这些电压水平称为上阈值电压 $V_{UT}$ 和下阈值电压 $V_{LT}$。

施密特触发器的输入和输出波形

施密特触发器电路的输入和输出波形如下图所示。可以看出，只要输入电压 $V_{in}$ 低于上阈值电压 $V_{UT}$，输出电压就在其正极端饱和 $+V_{sat}$。当输入电压超过 $V_{UT}$ 时，输出立即切换到其负饱和水平 $-V_{sat}$。

上下触发点（阈值电压）可以通过以下关系式计算得出：

$V_{UT} = \frac{R_2 (+V_{sat})}{R_1 + R_2}$ $V_{LT} = \frac{R_2 (-V_{sat})}{R_1 + R_2}$

如果 $\frac{R_2}{R_1 + R_2} = \beta$，则 $V_{UT} = \beta (+V_{sat})$ 和 $V_{LT} = \beta (-V_{sat})$。

上述方程表明，通过适当选择电阻 $R_1$ 和 $R_2$ 的值，可以准确调整和控制上下阈值水平。

使用运放的无稳态多谐振荡器

通过在过零检测器或施密特触发器电路中添加外部元件，可以构建运放无稳态多谐振荡器电路。无稳态多谐振荡器是一种使用运放的非线性电路配置（输出相对于输入呈非线性变化），它无需外部触发即可产生方波。这种电路没有稳定的输出状态，只有两个准稳态。输出在两个准稳态之间持续振荡。无稳态多谐振荡器本质上是一个振荡器，因为它不需要外部脉冲来触发。因此，该电路通常被称为自由运行振荡器。然而，该电路使用直流电源为运放供电。无稳态多谐振荡器可以配置为产生所需频率、幅度和占空比的方波。

使用运算放大器的无稳态多谐振荡器电路图如下图所示。该电路是一个施密特触发器配置，具有反馈连接，并在反相输入端包含一个输入电容器。

当无稳态多谐振荡器电路的输出处于其正饱和水平时，电流通过反馈电阻 $R_1$ 流入电容器 $C$。这使电容器充电，顶部板为正。电容器充电，直到其电压达到施密特触发器的上触发电压。此时，电路的输出立即切换到其负饱和水平。现在没有电流流入电容器，因此电容器开始放电。电容器的放电持续到电容器电压达到施密特触发器的下触发电压。输出切换到其正饱和水平，循环重复。

可以看出，该电路是一个方波发生器，其输出在运放的正负饱和电压水平之间摆动。输出方波的频率取决于电容 $C$ 和反馈电阻值 $R_1$。

无稳态多谐振荡器的输出和电容器电压波形如下图所示。

通过在 $R_2$ 和 $R_3$ 之间串联一个电位器，可以使用相同的电路配置在一定范围内产生可调频率的方波。通过调整电位器的电阻值，可以改变输出方波的频率。

使用运放的单稳态多谐振荡器

顾名思义，单稳态多谐振荡器是一种具有一种稳定输出状态的电路。其正常输出电压可能是高电平或低电平，并且保持在该状态直到被触发。当施加触发脉冲时，输出切换到相反状态，持续时间取决于电路的 RC 元件。

使用运放的典型单稳态多谐振荡器电路如上图所示。运放的反相输入端通过电阻 $R_3$ 接地，非反相输入端通过电阻 $R_1$ 和 $R_2$ 正向偏置。这使得输出通常处于其正饱和水平，电容器 $C_2$ 按照图中所示的极性充电。

当输入脉冲 $V_{in}$ 施加到电容器 $C_1$ 时，输入通过 $C_1$ 和电阻 $R_3$ 进行微分，在运放的反相输入端产生正负尖峰。二极管 $D_1$ 将负尖峰限制在 -0.7V，因此负尖峰对电路没有影响。正尖峰使反相输入端电压高于非反相输入端的偏置电压。因此，运放输出切换到其负饱和水平。尖峰的持续时间非常短，反相输入电压很快返回到零。然而，当输出进入负饱和时，电容器 $C_2$ 驱动非反相输入电压。这在尖峰消失后将非反相输入端保持在地电平以下，从而使输出保持在负饱和水平。

当输出处于其负饱和水平时，电容器 $C_2$ 开始通过电阻 $R_1$ 和 $R_2$ 放电，逐渐将非反相输入电压提升到地电平。当非反相输入电压略微高于地电平时，运放的输出立即切换到其正饱和水平，电路恢复到原始状态。输出波的脉冲宽度取决于电容 $C_2$ 和偏置电压 $V_{R2}$，以及电阻 $R_1$ 和 $R_2$。