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op-amp.

运算放大器作为差异化器

2021年4月14日
经过Ravi Teja.

在本教程中，我们将学习运算放大器的工作和实现作为差异化器或差异化车放大器。基于其设计中使用的组件，微分器放大器可以是被动的或主动的。配置运算放大器作为鉴别因子或鉴别器放大器基本上使用OP-AMP作为高通滤波器，并用于波形整形电路，频率调制器等。

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，我们学会了如何将运算放大器配置为集成器。我们将在此处进行类似的分析，但这次运算放大器作为差异化器。

有关高无源滤波器的其他信息，请阅读“被动高通RC过滤器“ 和 ”有效高通滤波器“。您可以找到OP-AMP的基础知识“运算放大器基础知识“。

大纲

介绍

OP-AMP差分器或差分器放大器是对集成器电路的倒数的电路配置。它产生输出信号，其中瞬时幅度与施加的输入电压的变化率成比例。

在数学上说，差分器的输出信号是输入信号的第一阶导数。例如，如果输入信号是斜坡，则具有运算放大器作为差分器的电路的输出将是简单的DC（随着斜坡信号的变化率恒定）。类似地，如果输入信号是正弦曲线，则输出信号也是正弦曲线，但具有90的相位差^0.。

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。

OP-AMP差异化器是反相放大器，其使用与输入电压串联的电容器。差分电路通常旨在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。

理想的OP-AMP差异化电路

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，电路的行为类似于电压跟随器。

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OP-AMP的内部电路的电流为零，有效地，所有电流I流过电阻器R_F。输出电压是

V._出去= - （i * r_F的）

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.。

从输入侧，电流I可以给出：

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= -c.₁R._F{D（v_在/ dt}

上面的等式表明输出是c₁R._F乘以输入电压的分化。产品C.₁R._F被称为差分电路的RC时间常数。负标志表示输出超过180^0.关于输入。

这种主动差异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

让我们现在看到不同输入信号的输出波形。当具有幅度V的步进输入（DC电平）_M.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_M./ dt}

为简单起见，假设产品C₁R._F统一。

所以，V._出去= 0.，因为幅度v_M.是恒定的，d（v_M.）/ 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_M.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，在数学上表示为v（t）= v_M.sinωt，其中v_M.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_M.SINωt）/ dt}

为简单起见，让我们假设产品c₁R._F统一。

V._出去= - V._M.。ω。Cosωt.

因此，用于正弦波输入的微分器的输出是余弦波，并且输入输出波形如下图所示。

理想区分模具的频率响应

OP-AMP差异化器的增益直接取决于输入信号的频率。因此，对于F = 0的DC输入，输出也为零。随着输入信号的频率增加，输出也增加。理想微分器的频率响应如下图所示。

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f₁，增益小于统一。对于F.₁，增益成为Unity（0 dB）和超过F.₁，增益在每十年20dB增加到20dB。

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C.₁R._F乘以输入电压的分化。

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。

实用区分器的频率响应

实际区分器的增益随着频率的增加和特定频率而增加₁，增益成为单位（0 dB）。增益继续以每十年20dB的速度增加，直到输入频率达到频率f₂。

除了输入信号的这种频率之外，差异化器的增益开始以每十年20dB的速率降低。这种效果是由于添加电阻器r₁和电容器C._F。实际区分器的频率响应曲线如下图所示。

OP-AMP差异化的应用

差分放大器最常用于在三角形和矩形信号上运行。
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。