搞懂微分放大电路就这么简单
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一、运算微分放大电路 在微分放大器电路中,电容和电阻的位置已经颠倒,现在电抗 XC 连接到反相放大器的输入端,而电阻 Rƒ 正常情况下在运算放大器上形成负反馈元件。 运算放大器电路执行微分的数学运算,即它“产生与输入电压相对于时间的变化率成正比的电压输出”。换句话说,输入电压信号的变化越快或越大,输入电流越大,响应的输出电压变化就越大,变得更像“尖峰”形状。 与积分器电路一样,我们有一个电阻和电容在运算放大器上形成一个RC 网络,电容的电抗 ( Xc ) 在运算放大器微分器 的性能中起着重要作用。
运算微分放大器 如果输入是直流信号,则该电容会完全阻止它,并且 Vout不需要做任何事情来驱动反相输入等于同相输入。因此,任何输入直流信号都不会对 Vout 产生任何影响。 当 V in发生变化时,电路就会发挥作用。在时域中,我们通过以下等式对通过电容的电流进行建模:
电容电流公式 随着电压 V in 的变化,我们得到一个通过电容的电流,该电流开始改变反相输入端的电压。随着反相输入上的电压开始变化,运算放大器输出立即发生变化,既使电流流过某处,又将反相输入保持在 0V。具体来说,随着输入电压升高,输出降低,因此电流可以从反相输入端的 0V 流向输出端的负电压。相反,随着输入电压降低,输出增加,因此现在反向流动的电流可以从输出流到反相输入节点,再到输入。 这是产生微分效应的原因,因为这种响应*仅*在输入电压发生变化时发生——一旦输入电压达到稳定状态并且电流不再流过电容,电压输出将再次降至 0。 二、微分放大电路公式/增益表达式 1、微分放大电路公式
微分放大电路 节点 B 接地,节点 A 也处于地电位,因此 V A = 0。由于运算放大器的输入电流为零,整个电流I 1流过电阻R f。输入端电流:
输入端电流公式 输出端电流:
输出端电流 使两个方程相等,
输入电流和输出电流相等 该等式表明输出是 C1Rf乘以输入的微分,乘积 C1Rf 称为微分器的时间常数。 负号表示输入和输出之间存在 180° 的相移。这种有源微分器的主要优点是微分所需的时间常数小。
微分放大电路 根据米勒定理,输入节点 A 与地之间的有效电阻变为:
有效电阻公式 A v是运算放大器的增益,它非常大。因此,有效 Rf 变得非常非常小,因此条件 RfC1 ≪ T 在所有频率下都得到满足。 实际上,电阻 Rcomp = R f 连接到同相端以提供偏置补偿。如上图所示: 2、微分放大电路输入和输出波形: 下面研究各种输入信号的输出波形,为了便于理解,假设假设 R f 和 C1的值被选择为具有统一的时间常数 (Rf C1 )。 1)阶跃输入信号: 令输入波形为阶跃型,幅度为 A 个单位。在数学上它表示为:
阶跃输入信号 现在在数学上,微分器的输出是0。
微分放大器电路输出 因为 A 是常数,实际上,阶跃输入需要有限的时间才能从 0 V上升到 A V。由于时间有限,微分器输出不为零,而是在 t = 0 时以尖峰形式出现。由于电路充当反相微分器,负向尖峰或脉冲出现在 t = 0 时,输出保持不变零。
具有阶跃输入的微分器的输入和输出波形 2) 方波输入信号 方波由阶跃组成,即从 t = 0 到 t = T/2 的阶跃为 A 伏特,而从 t = T/2 到 t = T 的阶跃为 -A 伏特,依此类推。 在数学上表示为:
方波输入信号 微分器的行为类似于其对步进输入的行为。对于正向脉冲,输出显示负向脉冲,对于负向输入,输出显示正向脉冲。因此,方波输入的总输出是脉冲串或尖峰的形式。
方波输入和输出波形 3) 正弦波输入 让输入波形为频率为 ω 弧度/秒的纯正弦波。在数学上可以表示为,
正弦波输入公式 其中 V m 是正弦波的幅度,T 是波形的周期。 输出的表达式如下所示:
输出表达式
正弦波 因此,对于正弦波输入,微分器的输出是余弦波形。
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