运放非线性应用：简单比较器、迟滞比较器与窗口比较器

本文主要介绍了运放（运算放大器）在非线性应用中的几种典型电路，包括简单电压比较器、迟滞比较器和窗口比较器。这些电路常常利用运放的非线性特性，例如在没有负反馈或存在正反馈的情况下工作，以实现特定的功能。 1. **简单电压比较器**: 简单电压比较器是基于运放的一种基本电路，当输入电压ui超过某个预设的阈值（通常由参考电压UR决定）时，输出电压uo会跃变到电源电压的上限（+UOM）或下限（-UOM）。这种电路的传输特性是非线性的，只有两个状态：开或关，高或低。 2. **迟滞比较器**: 迟滞比较器在比较器的基础上增加了迟滞特性，即输入电压在接近阈值时，输出不是突然改变，而是有一个小范围内的过渡区域。这样可以避免因噪声引起的频繁开关动作。迟滞比较器通常通过正反馈来实现，当ui上升超过上阈值U+H时，uo变为+UOM；下降至下阈值U+L时，uo变为-UOM。在U+L和U+H之间，uo保持不变，形成迟滞区间。 3. **窗口比较器**: 窗口比较器是一种结合了上下限比较的电路，它有两个阈值，一个上限和一个下限。当输入电压在上限和下限之间时，输出为一固定状态（如高电平），一旦输入电压超出这个范围，输出立即改变。窗口比较器常用于信号的窗口检测或限幅应用。 4. **运放的非线性应用**: 运放在线性放大状态下，通常有负反馈以确保稳定工作。但在非线性应用中，运放可能工作在开环或正反馈状态，导致输出不是线性地跟随输入变化。例如，当输入ui大于某个阈值ε时，运放输出为最大或最小值，不再与输入成比例。 5. **确定运放工作状态**: 分析运放电路时，首先要判断运放是否工作在线性区。如果电路中有负反馈，运放通常在线性区；反之，无负反馈或正反馈意味着运放在非线性区。在非线性状态下，虚短和虚地原则不适用，而输入电阻ri仍然很高，输出电阻rO为零。 6. **稳压二极管的应用**: 在电路中，稳压二极管可作为限幅器使用，限制输出电压不超过设定的上限或下限。当输入电压超过稳压二极管的击穿电压UZ时，二极管导通，提供一个稳定的电压，否则，运放在线性状态下工作。 7. **反向比例运算电路**: 这种电路利用稳压管反向击穿特性，引入深度负反馈，使得运放即使在输入电压达到稳压管的电压时，也能在线性区内工作。 8. **传输特性曲线**: 通过对各种比较器和运算电路的分析，我们可以观察到它们的传输特性曲线，这些曲线展示了输入电压与输出电压之间的关系，通常是非线性的，具有明显的阈值或转折点。 这些非线性应用广泛应用于信号处理、检测、保护电路等领域，通过巧妙设计，可以实现精确的电压比较、波形整形和阈值检测等功能。