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微分放大器是什么 微分電路

作者:佚名    文章來(lái)源:本站原創(chuàng)    點(diǎn)擊數(shù):    更新時(shí)間:2022-04-10

  微分放大器,顧名思義,就是在運(yùn)算電路中執(zhí)行微分運(yùn)算的電路。與反向放大器類似,我們調(diào)換一下電容器和電阻器的位置,既將電抗X C連接到反相放大器的輸入端子,而電阻器Rf像往常一樣在運(yùn)算放大器上形成負(fù)反饋元件。如下圖:

  微分放大器電路

  該運(yùn)算放大器電路執(zhí)行微分的數(shù)學(xué)運(yùn)算,即“產(chǎn)生的輸出電壓與輸入電壓相對(duì)于時(shí)間的變化率成正比”。換句話說(shuō),輸入電壓信號(hào)的變化越快或越大,輸入電流越大,響應(yīng)時(shí)輸出電壓的變化就越大,形狀越像“尖峰”。

  與積分器電路一樣,將一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器構(gòu)成一個(gè)跨運(yùn)算放大器的RC網(wǎng)絡(luò),而電容器的電抗(Xc)在運(yùn)算放大器微分器的性能中起著重要作用。

  運(yùn)算放大器微分電路介紹

  差分器的輸入信號(hào)被施加到電容器。電容器阻止任何直流成分,因此沒(méi)有電流流向放大器的求和點(diǎn)X,導(dǎo)致輸出電壓為零。該電容器僅允許交流型輸入電壓的變化通過(guò),其頻率取決于輸入信號(hào)的變化率。

  在低頻下,電容器的電抗為“高”,從而導(dǎo)致低增益(Rf/ Xc)和運(yùn)算放大器的低輸出電壓。在較高的頻率下,電容器的電抗要低得多,從而導(dǎo)致差分放大器的增益更高,輸出電壓更高。

  然而,在高頻下,運(yùn)算放大器的微分電路變得不穩(wěn)定,并且將開(kāi)始振蕩。這主要?dú)w因于一階效應(yīng),它決定了運(yùn)算放大器電路的頻率響應(yīng),從而引起二階響應(yīng),在高頻下,二階響應(yīng)給出的輸出電壓遠(yuǎn)高于預(yù)期。為避免這種情況,需要通過(guò)在反饋電阻Rf兩端增加一個(gè)額外的小電容來(lái)降低電路的高頻增益。

  由于運(yùn)算放大器在其反相輸入端的節(jié)點(diǎn)電壓為零,因此流過(guò)電容器的電流I將給出為:

  

  電容器上的電荷等于電容乘以電容器兩端的電壓:

  

  因此,此費(fèi)用的變化率是:

  

  但DQ / dt是電容器電流,I:

  

  從中我們可以得出運(yùn)算放大器微分器的理想電壓輸出為:

  

  因此,輸出電壓Vout為常數(shù)–Rf*C乘以輸入電壓Vin相對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。負(fù)號(hào)(–)表示相移180°,因?yàn)檩斎胄盘?hào)連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端子。

  最后要提到的一點(diǎn)是,與以前的運(yùn)算放大器積分器電路相比,基本形式的運(yùn)算放大器微分器電路有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。一個(gè)是如上所述的,它在高頻下會(huì)遭受不穩(wěn)定的影響,另一個(gè)是,電容性輸入使其非常容易受到隨機(jī)噪聲信號(hào)的影響,并且源電路中存在的任何噪聲或諧波都將比輸入信號(hào)本身被放大更多。這是因?yàn)檩敵雠c輸入電壓的斜率成正比,因此需要一些限制帶寬的方法以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定性。

  運(yùn)算放大器微分器波形

  如果我們將持續(xù)變化的信號(hào)(例如方波,三角或正弦波類型的信號(hào))施加到微分放大器電路的輸入,則最終的輸出信號(hào)將發(fā)生變化,其最終形狀取決于電阻的RC時(shí)間常數(shù)/電容器組合。

  

  基本的單電阻器和單電容器運(yùn)算放大器微分器電路由于上述兩個(gè)固有的錯(cuò)誤(“不穩(wěn)定”和“噪聲”)而沒(méi)有廣泛用于改革微分的數(shù)學(xué)函數(shù)。因此,為了降低電路在高頻下的整體閉環(huán)增益,需要在輸入端添加一個(gè)額外的電阻Rin,如下所示。

  微分放大電路波形圖

  添加輸入電阻器R IN限制了微分器以Rf/ R IN的比率增加的增益。該電路現(xiàn)在在低頻下就像一個(gè)微分器放大器,而在高頻下像一個(gè)具有電阻反饋的放大器,可以提供更好的噪聲抑制。

  通過(guò)將電容器Cf與微分器反饋電阻Rf并聯(lián)連接,可以實(shí)現(xiàn)更高頻率的附加衰減。這樣就構(gòu)成了有源高通濾波器的基礎(chǔ),正如我們之前在濾波器部分所看到的那樣。

Tags:微分放大器,微分電路  
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