模擬運(yùn)算放大器微分器電路設(shè)計(jì)方案

用于微分器的運(yùn)算放大器電路已在模擬計(jì)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(jīng)使用多年，但運(yùn)算放大器集成電路的引入徹底改變了電子電路設(shè)計(jì)過程。

運(yùn)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(yīng)用之一是用于轉(zhuǎn)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(shí)間變化率成正比的電路。

這意味著輸入電壓信號(hào)變化越快，輸出電壓變化的響應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)數(shù)

對(duì)于這些波形，可以看出，輸入端波形的變化率越大，該點(diǎn)的輸出電壓就越高。事實(shí)上，對(duì)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(yīng)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(xiàn)實(shí)生活中的波形可能是什么樣子。

三角波輸入轉(zhuǎn)換為方波，與輸入波形的上升和下降電平一致。

正弦波被轉(zhuǎn)換為余弦波形 - 給出信號(hào)的 90° 相移。這在某些情況下可能很有用。

運(yùn)算放大器微分器電路

可以看出，積分器的運(yùn)算放大器電路與微分器的運(yùn)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(yùn)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(gè)電路的輸入端連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端。然后使用反饋電阻器在運(yùn)算放大器芯片周圍提供負(fù)反饋，該電阻從運(yùn)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(yùn)算放大器微分器電路

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

電子電路設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器微分器的電壓輸出可由以下關(guān)系確定：

其中：
Vout = 運(yùn)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(shí)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(shí)間的變化率。

如前所述，由于增益和運(yùn)算放大器內(nèi)部相移，微分器在高頻下存在噪聲問題，有時(shí)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(gè)額外的電子元件即可實(shí)現(xiàn)此目的。

運(yùn)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(jià)提供更高的穩(wěn)定性和降噪。

R2 的值可以由以下公式計(jì)算：

雖然并不總是包括在內(nèi)，但可以添加電容器 C2 以進(jìn)一步降低噪聲。從下面的公式中可以估計(jì)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(yùn)算放大器本身的整體補(bǔ)償造成的。

運(yùn)算放大器差異化器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

使用運(yùn)算放大器微分器電路時(shí)，需要考慮許多電子電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

請(qǐng)記住，輸出隨頻率上升：串聯(lián)電容器的一個(gè)關(guān)鍵方面是它在較高頻率下具有更高的頻率響應(yīng)。微分器輸出隨頻率線性上升，盡管在某些階段，運(yùn)算放大器的局限性意味著這不太成立。

因此，在電子電路設(shè)計(jì)和構(gòu)建過程中可能需要采取預(yù)防措施來考慮這一點(diǎn)。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(hù)電路，特別是其輸入，防止雜散拾取，否則可能會(huì)中斷其工作。

電子元件價(jià)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(nèi)。通常，電阻值小于100kΩ是最好的。這樣，運(yùn)算放大器的輸入阻抗應(yīng)該不會(huì)影響電路的工作。

應(yīng)用

微分器電路在電子設(shè)計(jì)的多個(gè)領(lǐng)域都有許多應(yīng)用。運(yùn)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(jì)算機(jī)，它能夠?qū)斎肽M電壓進(jìn)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(cè)各個(gè)點(diǎn)的變化率。如果測(cè)量設(shè)備返回的變化率大于某個(gè)值，這將給出高于某個(gè)閾值的輸出電壓，這可以使用比較器進(jìn)行測(cè)量，并用于設(shè)置警報(bào)或警告指示。

事實(shí)上，在許多信號(hào)調(diào)理應(yīng)用中，可能需要微分器。在電子電路設(shè)計(jì)人員面臨的各種選擇中，運(yùn)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(shí)仍能提供出色的性能水平。

微分器的運(yùn)算放大器電路已用于許多模擬計(jì)算機(jī)應(yīng)用，但它也用于需要處理的波形轉(zhuǎn)換。運(yùn)算放大器電路的增益意味著轉(zhuǎn)換幾乎是完美的，盡管噪聲可能是一個(gè)問題，因此，這些電路可能不會(huì)像其他電路那樣被廣泛使用。

只需使用幾個(gè)電子元件和一些簡(jiǎn)單的電子電路設(shè)計(jì)方程，這些運(yùn)算放大器電路就很容易實(shí)現(xiàn)。

審核編輯：黃飛