基于Protues的集成運(yùn)放非線性應(yīng)用仿真

張昌華，楊 慶

（湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北恩施 445000）

集成運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱運(yùn)放，integrated operational amplifier，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［1］。

圖1 運(yùn)放的組成框圖

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。

圖2 單門限電壓比較器

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1.4 V左右）?？梢杂冒l(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［2］。

圖3 窗比較器電路圖

1.3 遲滯比較器

反相輸入遲滯比較器原理圖如圖4所示［3］。

圖4 遲滯比較器電路

其上門限電壓為:

下門限電壓為:

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［4］。

回差電壓為:

圖5 方波發(fā)生器電路

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。

圖6 方波發(fā)生器仿真波形

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［5］。

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。

圖7 三角波方波發(fā)生器電路圖

圖8 方波-三角波電路輸出仿真波形

電路的振蕩頻率為

方波輸出幅值為:

三角波輸出幅值為:

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［6］。

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。

［1］謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試［M］.第3版.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2006.

［2］朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，等.Protues教程—電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［3］周潤(rùn)景，張麗娜.基于Protues的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［4］楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程［M］.第3版.北京:高等教育出版社，2006.

［5］趙淑范，董鵬中.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［6］彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)［M］.北京:高等教育出版社，1997.