模拟运算放大器微分器电路设计方案

用于微分器的运算放大器电路已在模拟计算中使用多年。尽管使用分立电子元件制成的差分放大器的模拟微分器电路已经使用多年，但运算放大器集成电路的引入彻底改变了电子电路设计过程。

运算放大器的增益水平非常高，这意味着它可以提供非常高的性能水平，比使用分立电子元件获得的性能要好得多。

模拟微分器电路的应用之一是用于转换不同类型的波形，如下所示。

微分器电路是指电压输出与输入电压随时间变化率成正比的电路。

这意味着输入电压信号变化越快，输出电压变化的响应就越大。

由于微分器电路的输出与输入变化成正比，因此一些标准波形（如正弦波、方波和三角波）在微分器电路的输出端给出了非常不同的波形。

波形及其微分导数

对于这些波形，可以看出，输入端波形的变化率越大，该点的输出电压就越高。事实上，对于方波输入，只能看到非常短的尖峰。尖峰将受到输入波形边沿斜率、电路最大输出及其压摆率和带宽的限制。尖峰也应该迅速衰减。同样，这可能受到电路的限制，在图中，衰减没有显示为无限的法，从而更好地代表了现实生活中的波形可能是什么样子。

三角波输入转换为方波，与输入波形的上升和下降电平一致。

正弦波被转换为余弦波形 - 给出信号的 90° 相移。这在某些情况下可能很有用。

运算放大器微分器电路

可以看出，积分器的运算放大器电路与微分器的运算放大器电路非常相似。不同之处在于电容器和电感的位置发生了变化。

在其基本形式中，电路的中心基于运算放大器本身。除此之外，还需要一些其他电子元件：电容器从整个电路的输入端连接到运算放大器的反相输入端。然后使用反馈电阻器在运算放大器芯片周围提供负反馈，该电阻从运算放大器的输出连接到其反相输入。同相输入接地。

基本模拟运算放大器微分器电路

与积分器电路不同，运算放大器微分器在从输出到反相输入的反馈中有一个电阻。这使其具有直流稳定性 - 这是许多应用中的一个重要因素。

电子电路设计方程式

为了开发微分器电路的电子元件值，有必要确定所需的性能。

运算放大器微分器的电压输出可由以下关系确定：

其中：
Vout = 运算放大器微分器的输出电压 Vin = 输入电压 t = 以秒
为单位的时间 R = 微分器中的电阻值，单位为 Ω
C = 微分器
电容器的电容，单位为法拉
dVin/dt = 电压
随时间的变化率。

如前所述，由于增益和运算放大器内部相移，微分器在高频下存在噪声问题，有时还存在不稳定问题。

这些问题可以通过添加一些 HF 滚降来克服。只需两个额外的电子元件即可实现此目的。

运算放大器电路，用于微分器，带有额外的电阻器和电容器电子元件，以确保稳定性

电子元件的选择：电容 C2 和电阻 R2 很大程度上取决于条件 - 噪声水平和所需的微分器带宽。电子元件的较高值以带宽为代价提供更高的稳定性和降噪。

R2 的值可以由以下公式计算：

虽然并不总是包括在内，但可以添加电容器 C2 以进一步降低噪声。从下面的公式中可以估计出合适的起始值。

随着附加电子元件 C2 和 R2 的加入，电路开始成为高频 （f » 1 / 2 π R1 C1 ） 的积分器。这是由于反馈平坦度和运算放大器本身的整体补偿造成的。

运算放大器差异化器设计注意事项

使用运算放大器微分器电路时，需要考虑许多电子电路设计注意事项。

请记住，输出随频率上升：串联电容器的一个关键方面是它在较高频率下具有更高的频率响应。微分器输出随频率线性上升，尽管在某些阶段，运算放大器的局限性意味着这不太成立。

因此，在电子电路设计和构建过程中可能需要采取预防措施来考虑这一点。例如，电路将非常容易受到高频噪声、杂散拾取等的影响。必须保护电路，特别是其输入，防止杂散拾取，否则可能会中断其工作。

电子元件价值限制：最好将电子元件（即电容器，尤其是电阻器）的值保持在合理的范围内。通常，电阻值小于100kΩ是最好的。这样，运算放大器的输入阻抗应该不会影响电路的工作。

应用

微分器电路在电子设计的多个领域都有许多应用。运算放大器微分器特别易于使用，因此可能是使用最广泛的版本之一。

显然，该电路用于模拟计算机，它能够对输入模拟电压进行微分操作。

微分器电路可能最广泛地用于过程仪表。在这里，它可以用来监测各个点的变化率。如果测量设备返回的变化率大于某个值，这将给出高于某个阈值的输出电压，这可以使用比较器进行测量，并用于设置警报或警告指示。

事实上，在许多信号调理应用中，可能需要微分器。在电子电路设计人员面临的各种选择中，运算放大器解决方案通常是最具吸引力的，它只需要很少的元件，同时仍能提供出色的性能水平。

微分器的运算放大器电路已用于许多模拟计算机应用，但它也用于需要处理的波形转换。运算放大器电路的增益意味着转换几乎是完美的，尽管噪声可能是一个问题，因此，这些电路可能不会像其他电路那样被广泛使用。

只需使用几个电子元件和一些简单的电子电路设计方程，这些运算放大器电路就很容易实现。

审核编辑：黄飞