模擬運算放大器微分器電路設計方案

用于微分器的運算放大器電路已在模擬計算中使用多年。盡管使用分立電子元件制成的差分放大器的模擬微分器電路已經使用多年，但運算放大器集成電路的引入徹底改變了電子電路設計過程。

運算放大器的增益水平非常高，這意味著它可以提供非常高的性能水平，比使用分立電子元件獲得的性能要好得多。

模擬微分器電路的應用之一是用于轉換不同類型的波形，如下所示。

微分器電路是指電壓輸出與輸入電壓隨時間變化率成正比的電路。

這意味著輸入電壓信號變化越快，輸出電壓變化的響應就越大。

由于微分器電路的輸出與輸入變化成正比，因此一些標準波形（如正弦波、方波和三角波）在微分器電路的輸出端給出了非常不同的波形。

波形及其微分導數

對于這些波形，可以看出，輸入端波形的變化率越大，該點的輸出電壓就越高。事實上，對于方波輸入，只能看到非常短的尖峰。尖峰將受到輸入波形邊沿斜率、電路最大輸出及其壓擺率和帶寬的限制。尖峰也應該迅速衰減。同樣，這可能受到電路的限制，在圖中，衰減沒有顯示為無限的法，從而更好地代表了現實生活中的波形可能是什么樣子。

三角波輸入轉換為方波，與輸入波形的上升和下降電平一致。

正弦波被轉換為余弦波形 - 給出信號的 90° 相移。這在某些情況下可能很有用。

運算放大器微分器電路

可以看出，積分器的運算放大器電路與微分器的運算放大器電路非常相似。不同之處在于電容器和電感的位置發(fā)生了變化。

在其基本形式中，電路的中心基于運算放大器本身。除此之外，還需要一些其他電子元件：電容器從整個電路的輸入端連接到運算放大器的反相輸入端。然后使用反饋電阻器在運算放大器芯片周圍提供負反饋，該電阻從運算放大器的輸出連接到其反相輸入。同相輸入接地。

基本模擬運算放大器微分器電路

與積分器電路不同，運算放大器微分器在從輸出到反相輸入的反饋中有一個電阻。這使其具有直流穩(wěn)定性 - 這是許多應用中的一個重要因素。

電子電路設計方程式

為了開發(fā)微分器電路的電子元件值，有必要確定所需的性能。

運算放大器微分器的電壓輸出可由以下關系確定：

其中：
Vout = 運算放大器微分器的輸出電壓 Vin = 輸入電壓 t = 以秒
為單位的時間 R = 微分器中的電阻值，單位為 Ω
C = 微分器
電容器的電容，單位為法拉
dVin/dt = 電壓
隨時間的變化率。

如前所述，由于增益和運算放大器內部相移，微分器在高頻下存在噪聲問題，有時還存在不穩(wěn)定問題。

這些問題可以通過添加一些 HF 滾降來克服。只需兩個額外的電子元件即可實現此目的。

運算放大器電路，用于微分器，帶有額外的電阻器和電容器電子元件，以確保穩(wěn)定性

電子元件的選擇：電容 C2 和電阻 R2 很大程度上取決于條件 - 噪聲水平和所需的微分器帶寬。電子元件的較高值以帶寬為代價提供更高的穩(wěn)定性和降噪。

R2 的值可以由以下公式計算：

雖然并不總是包括在內，但可以添加電容器 C2 以進一步降低噪聲。從下面的公式中可以估計出合適的起始值。

隨著附加電子元件 C2 和 R2 的加入，電路開始成為高頻 （f ? 1 / 2 π R1 C1 ） 的積分器。這是由于反饋平坦度和運算放大器本身的整體補償造成的。

運算放大器差異化器設計注意事項

使用運算放大器微分器電路時，需要考慮許多電子電路設計注意事項。

請記住，輸出隨頻率上升：串聯電容器的一個關鍵方面是它在較高頻率下具有更高的頻率響應。微分器輸出隨頻率線性上升，盡管在某些階段，運算放大器的局限性意味著這不太成立。

因此，在電子電路設計和構建過程中可能需要采取預防措施來考慮這一點。例如，電路將非常容易受到高頻噪聲、雜散拾取等的影響。必須保護電路，特別是其輸入，防止雜散拾取，否則可能會中斷其工作。

電子元件價值限制：最好將電子元件（即電容器，尤其是電阻器）的值保持在合理的范圍內。通常，電阻值小于100kΩ是最好的。這樣，運算放大器的輸入阻抗應該不會影響電路的工作。

應用

微分器電路在電子設計的多個領域都有許多應用。運算放大器微分器特別易于使用，因此可能是使用最廣泛的版本之一。

顯然，該電路用于模擬計算機，它能夠對輸入模擬電壓進行微分操作。

微分器電路可能最廣泛地用于過程儀表。在這里，它可以用來監(jiān)測各個點的變化率。如果測量設備返回的變化率大于某個值，這將給出高于某個閾值的輸出電壓，這可以使用比較器進行測量，并用于設置警報或警告指示。

事實上，在許多信號調理應用中，可能需要微分器。在電子電路設計人員面臨的各種選擇中，運算放大器解決方案通常是最具吸引力的，它只需要很少的元件，同時仍能提供出色的性能水平。

微分器的運算放大器電路已用于許多模擬計算機應用，但它也用于需要處理的波形轉換。運算放大器電路的增益意味著轉換幾乎是完美的，盡管噪聲可能是一個問題，因此，這些電路可能不會像其他電路那樣被廣泛使用。

只需使用幾個電子元件和一些簡單的電子電路設計方程，這些運算放大器電路就很容易實現。

審核編輯：黃飛