運算放大器的微分器：電路及其工作原理

　　一個運算放大器（Op-Amp）是一種線性器件，可用于理想的DC放大、信號調理、濾波以及數(shù)學運算（例如加法，減法，積分和微分）。運算放大器是一種電壓放大設備，在輸出和輸入端子之間具有外部反饋組件，例如電容器和電阻器。運放中提供的反饋組件可用于有效地進行操作。運算放大器是一種三端設備，由兩個高阻抗輸入（即反相輸入和同相輸入）和一個輸出端口組成，它可以是電流或電壓。該運算放大器主要用于增強低信號電平。運放微分器可以根據(jù)設計中使用的組件是有源或無源。

　　一、什么是運算放大器的區(qū)別器？

　　定義：一個運算放大器的區(qū)別是一個電路配置，其產生的輸出電壓振幅成比例的輸入電壓的變化率。這意味著當輸入電壓信號發(fā)生變化時，輸出電壓將立即變化。

　　如果微分器僅具有RC網(wǎng)絡，則稱為無源微分器，但如果微分器具有諸如運算放大器和晶體管的有源電路組件，則稱為有源微分器。與無源微分器或簡單RC微分器相比，該有源微分器具有較低的輸出電阻和較高的輸出電壓。

　　通常，這些運算放大器被設計為響應矩形和三角形輸入波形。如果給定的輸入是正弦波，則輸出將是具有90度相移的余弦波。如果給定的輸入是三角波，則將生成的輸出是方波一、運算放大器微分電路

　　在這里，我們可以看到運算放大器微分器電路圖。該電路使用與輸入電壓串聯(lián)的電容器。電容器“ C”保持不充電，當輸入為直流輸入時，電容器C充當開路。同相端子接地。輸出通過反饋電阻R1連接到反相輸入端子。

　　該運算放大器微分電路執(zhí)行許多數(shù)學運算，例如加法，減法，微分和積分。運算放大器電路產生的輸出電壓與時間導數(shù)輸入電壓成比例。因此，它被稱為微分器，運算放大器電路也可以充當電壓跟隨器。

　　在上面的電路圖中，運算放大器反相端的節(jié)點電壓為零，則流過電容器C的電流為：

　　Iin =If

　　[If = Vout/Rf]

　　電容器電荷等于電容和輸入電壓：

　　Q = CVin

　　因此，dQ/dt = CdVin/dt，但是流過電容器的電流等于dQ/dt。

　　Iin = CdVin/dt =If

　　-Vout/Rf = CdVin/dt

　　運算放大器微分器的理想輸出可寫為：

　　Vout = RfCdVin/dt

　　由于幅度V恒定，所以Vout = 0

　　為了簡化，假設C1Rf = 1

　　但在實際情況中，輸出不是零，因為步進波需要時間從0升至Vm伏。

　　在t = o時，輸出看起來像一個尖峰。

　　當輸入為方波時，輸出波形將包含正負尖峰，這暗示著電容器的充電和放電。

二、理想微分器的頻率響應

　　運算放大器微分器的增益取決于輸入信號的頻率。當f = 0時，在直流輸入中，輸出將變?yōu)榱?。當輸入信號頻率增加時，輸出也增加。

　　在頻率f，微分器增益變?yōu)?。

　　當頻率小于“ f”時，增益小于1。

　　當頻率超過“ f”時，增益以每十倍20dB的速度增加。

　　三、實用運算放大器微分電路

　　在理想的微分器中，當增益與頻率成正比時。因此，任何頻率的上升都會導致增益的上升，這會導致微分器在高頻下不穩(wěn)定，因此會產生噪聲。在這里，我們可以看到實用的運算放大器微分器的電路圖。

　　通過該實用電路可以糾正引起的問題，該實用電路使用與C1串聯(lián)的R1以及與Rf并聯(lián)的Cf。實際電路輸出電壓可寫為Vout = RfC1 {d（VIN）/ dt}。

　　在這里我們可以看到輸出電壓和輸入電壓的差是RfC1倍，在這條電路中發(fā)生的是：在高頻下，電容器Cf和電阻R1使電路穩(wěn)定，這對于降低電路的噪聲很有用。

　　四、頻率響應

　　眾所周知，運算放大器微分器的頻率響應與頻率成正比，增益隨頻率的升高而增加，增益達到單位，即在特定頻率f1時為0dB。增益以每10倍20dB的速度增加，直到輸入頻率達到f2。除f2頻率外，微分器增益開始以每10倍20dB的速度下降。

　　這是由于在電路中增加了電容器Cf和電阻R1，該圖表示實際的運算放大器微分器的頻率響應曲線。

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