基于Protues的集成运放非线性应用仿真

摘要：集成运算放大器是电子系统中最重要的模拟器件。它的应用主要分为线性应用和非线性应用。在非线性应用中，运算放大器构成的单门限电压比较器、迟滞比较器是构成矩形波、三角波和锯齿波等信号产生电路的核心模块。在此主要讨论利用Protues平台对集成运放的非线性应用设计及仿真。
关键词：Protues；集成运放；非线性应用；仿真

    集成运算放大器(简称运放，integrated operational amplitier，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。

    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。

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1．4V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。

1．3 迟滞比较器
    反相输入迟滞比较器原理图如图4所示。

   
   
    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。

    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。

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。

    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。
   
    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。
    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。