运算放大器作为差异化器

在本教程中,我们将学习运算放大器作为微分器或微分器放大器的工作和实现。微分器放大器可以是无源的,也可以是有源的。将运放配置为微分器或微分器放大器基本上是将运放作为高通滤波器,用于整形电路、调频器等。

我们已经讨论了作为集成器的运算放大器在另一个教程中,我们学习了如何配置一个运放作为一个积分器。我们将在这里做一个类似的分析,但这次是运算放大器作为微分器。

有关高无源滤波器的更多信息,请阅读“被动高通RC过滤器“ 和 ”有源高通滤波器“。您可以找到OP-AMP的基础知识“运算放大器基础知识“。

介绍

运算放大器微分器或微分器放大器是一种与积分器电路相反的电路结构。它产生一个输出信号,其瞬时振幅与施加的输入电压的变化率成正比。

从数学上讲,微分器的输出信号是输入信号的一阶导数。例如,如果输入信号是斜坡信号,那么用运算放大器作为微分器的电路的输出将是简单的直流(因为斜坡信号的变化率是恒定的)。类似地,如果输入信号是正弦信号,那么输出信号也是正弦信号,但是相位差为900

仅具有RC网络的差分器称为被动差分器,而具有晶体管和运算放大器的有源电路组件的差分器称为有源差分。主动差管具有更高的输出电压和低于简单的RC差异的输出电阻。

运放微分器是一种反向放大器,它使用一个电容串联输入电压。微分电路通常用于响应三角形和矩形输入波形。

在正弦波输入上运行时,差分差具有频率限制;该电路衰减所有低频信号分量,并仅允许在输出处的高频分量。换句话说,电路的行为类似于高通滤波器。

理想的运算放大器微分器电路

OP-AMP差分放大器使用与输入电压源串联的电容器,如下图所示。

理想的运算放大器微分器电路

对于DC输入,输入电容C.1在达到其潜力后,不能接受任何充电并表现得像开放式电路。OP-AMP的非反相输入端通过电阻器r连接到地面筹码提供输入偏置补偿,反相输入端子通过反馈电阻器R连接到输出f

因此,电路的行为就像一个电压跟随器。

当输入是正电压时,电流I流入电容器C.1,如图所示。由于流入运放内部电路的电流为零,因此所有电流I都流经电阻Rf。输出电压为,

V出去= - (i * rf)

这里,该输出电压与输入电压的变化速率成正比。

从该图中,节点'x'几乎是接地,节点'y'也在地电位下。,VX= V.Y= 0.

从输入端,电流I可以表示为:

我= C.1{d (V- V.X)/ dt} = c1{d (V/ dt}

从输出方面,电流I称为:

我= - {(V出去- V.X) / Rf} = - {V出去/ Rf}

等同于我们获得的上述两个等式:

C1{d (V)/ dt} = -V出去/ Rf

V出去= - c1Rf{d (V/ dt}

上方等式表示输出是C.1Rf乘以输入电压的微分。产品C1Rf被称为差异化器电路的RC时间常数。负标志表示输出超过1800关于输入。

这种主动差分放大器电路的主要优点是差异化所需的少的时间常数。

输入和输出波形

现在让我们看看不同输入信号的输出波形。当一个幅度为V的阶跃输入(直流电平)应用于OP-AMP差异化器,输出可以在数学上表达为,

V出去= - C.1Rf{d (V/ dt}

为简单起见,假设产品C1Rf是统一的。

所以,V出去= 0.,因为振幅V是常数和d(v) / dt = 0。

但实际上,输出不是零,因为输入步骤波需要有限的时间来从0伏到v伏特。因此,输出出现在时间t = 0的峰值,如下图所示。

微分器的输入输出波形

如果将对微分器的输入改变为方波,则输出将是由正极和负尖峰组成的波形,对应于电容器的充电和放电,如下图所示。

输入和输出波形为方波

对于正弦波输入,它在数学上表示为V (t) = Vsinωt,其中v输入信号的幅度和T是周期,差分器的输出给出,

V出去= - C.1Rf{d (VSINωt)/ dt}

为简单起见,让我们假设产品c1Rf是统一的。

V出去= - V.。ω。Cosωt.

因此,对于正弦波输入,微分器的输出是余弦波,输入输出波形如下图所示。

SINE WAVE的输入和输出波形

理想区分模板的频率响应

运算放大器微分器的增益直接依赖于输入信号的频率。因此,对于f = 0的直流输入,输出也是零。随着输入信号频率的增加,输出也随之增加。理想微分器的频率响应如下图所示。

理想区分模板的频率响应

频率f1是差异化器的增益变为统一的频率。从图中可以看出,频率小于f1,收获小于团结。f1,增益成为Unity(0 dB)和超过f1,增益每十年增加20dB。

实用的OP-AMP差异化电路

对于理想的差异化,随着频率的增加,增益增加。因此,在一些较高的频率下,差分器可能变得不稳定并且导致振荡导致噪声。

在实用的差异化车电路中可以避免或校正这些问题,该电路使用电阻器r1与输入电容和电容器C串联f与反馈电阻并联,如下图所示。

实用的OP-AMP差异化电路

实用的运算放大器差分放大器电路的输出电压给出,

V出去= - C.1Rf{d (V/ dt}

即输出电压为C1Rf乘以输入电压的微分。

添加电阻r1和电容器C.f在较高频率下稳定电路,并且还降低了噪声对电路的影响。

实用微分器的频率响应

实用微分器的增益随频率的增加而增加,在特定频率f1,增益变成单位(0db)。增益以每十年20dB的速率继续增加,直到输入频率达到频率f2

超过输入信号的这个频率后,微分器的增益开始以每十年20dB的速率下降。这种效果是由于增加了电阻R1和电容器C.f。实用微分器的频率响应曲线如下图所示。

实用微分器的频率响应

OP-AMP差异化的应用

  • 微分放大器通常被设计用于处理三角形和矩形信号。
  • 差异化也可以将应用视为波形整形电路,以检测输入信号中的高频分量。

运算放大器微分器概述

  • 运放差分放大器是一种反相放大器电路配置,它使用无功元件(通常是一个电容而不是电感)。
  • 微分器对输入信号进行关于时间的数学微分运算,即瞬时输出电压与输入信号的变化率成正比。
  • 微分电路通常用于处理三角形和矩形信号。当操作正弦波输入时,微分电路有频率限制。

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