运算放大器作为差异化器

在本教程中，我们将学习作为微分器或微分器的运算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，这取决于设计中使用的元件。将运算放大器配置为微分器或微分器放大器基本上就是将运算放大器用作高通滤波器，用于波形整形电路、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运算放大器作为积分器。我们将在这里做一个类似的分析，但这一次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

运放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比例。

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输出将是简单的直流(因为斜坡信号的变化率是恒定的)。同样，如果输入信号是正弦波，那么输出信号也是正弦波，但相位差为90⁰．

仅具有RC网络的差异化器称为被动差异化器，而具有活跃的差异化器电路组件与晶体管和运算放大器一样称为有源差分。主动差管具有较高的输出电压，而不是简单的RC差管的输出电阻远低得多。

运放微分器是一种反相放大器，它使用一个与输入电压串联的电容器。微分电路通常设计为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组件，并仅允许输出处的高频分量。换句话说，电路的表现类似于高通滤波器。

理想运放微分器电路

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。

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路。OP-AMP的非反相输入端通过电阻器R连接到地面_Comp.，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，电路表现得像一个电压跟随器。

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，所以实际上所有的电流I都流过电阻R_f．输出电压为，

V_出去= - （i * r_f）

这里，该输出电压与输入电压的变化率成正比。

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

从输入端，电流I可以给出为:

我= C.₁{d (V_在- V._X）/ dt} = c₁{d (V_在/ dt}

从输出侧，电流I称为：

我= - {（v_出去- V._X) / R_f} = - {V_出去/ R_f｝

等同于我们获得的上述两个方程：

C₁{d (V_在）/ dt} = -v_出去/ R_f

V_出去= - c₁R_f{d (V_在/ dt}

上面的等式表明输出是c₁R_f乘以输入电压的微分。产品C₁R_f被称为差分电路的RC时间常数。负标志表示输出超过180⁰对于输入。

这种主动区分的主要优点放大器电路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。当阶跃输入(直流电平)带有幅值V_米应用于OP-AMP差异，输出可以在数学上表达为，

V_出去= - C.₁R_f{d (V_米/ dt}

为简单起见，假设产品C₁R_f统一。

所以，V_出去= 0.，因为振幅V_米是恒定的，d（v_米) / dt = 0。

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

如果对微分器的输入被改变为方波，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。

对于正弦波输入，数学上表示为V (t) = V_米sinωt，其中v_米输入信号的幅度和T是周期，差分器的输出给出，

V_出去= - C.₁R_f{d (V_米SINωt）/ dt}

为简单起见，让我们假设产品c₁R_f统一。

V_出去= - V._米．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。

理想区分模具的频率响应

运放微分器的增益直接取决于输入信号的频率。因此，对于f = 0的直流输入，输出也是0。随着输入信号频率的增加，输出也随之增加。理想微分器的频响如下图所示。

频率f₁是差分器增益变为统一的频率。从图中可以看出，频率小于f₁12、得利小于团结。f₁，增益成为Unity（0 dB）和超过F.₁在美国，增益以每10年20dB的速度增加。

实用的OP-AMP差异化电路

对于理想的差异化，增加随着频率的增加而增加。因此，在一些较高的频率下，微分器可能变得不稳定并且导致导致噪声的振荡。

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差分放大器电路的输出电压给出，

V_出去= - C.₁R_f{d (V_在/ dt}

即输出电压为C₁R_f乘以输入电压的微分。

添加电阻器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

实际微分器的增益随频率的增加而增加，并在一个特定的频率f₁，增益为单位(0 dB)。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，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．实际微分器的频响曲线如下图所示。

OP-AMP差异化的应用

• 微分放大器最常设计用于三角和矩形信号。
• 差异化也将应用视为波形整形电路，以检测输入信号中的高频分量。

作为微分器的运算放大器综述

• 运放微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比例。
• 微分电路常用来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。