有源微分电路设计

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1、第0页共9页有源微分电路设计有源微分电路设计王玉娟(安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011)指导教师：王鹏摘要：输出电压与输入电压成微分关系的电路为微分电路，通常由电容和电阻组成；在自控系统中，常用微分电路和积分电路作为调节环节；此外，微分电路和积分电路还广泛应用于波形的产生和变换以及仪器仪表之中。以集成运放作为放大电路，利用电阻和电容作为反馈网络，可以实现这两种运算电路。微分电路可将一个梯形波转换为一负一正两个矩形波，微分电路也可以起移相作用。用理想运放模型设计的有源徽分电路的主要缺点是，当输入信号频率升高时,电容的容抗减小，

2、则放大倍数增大，造成电路对输入信号中的高频噪声非常敏感，因此输出信号中的噪声成分严重增加，信噪比大大下降。除此之外，微分电路中的ＲＣ元件形成一个滞后的移相环节，它和集成运放中原有的滞后环节共同作用，很容易产生自激振荡，是电路的稳定性变差。为此提出在有源微分电路的传递函数中计及实际运放幅频特性,增加与输入电容串联的电阻,可使有源微分电路的闭环放大倍数降低，从而抑制了高频噪声。　关键词：微分电路，运算放大器，幅频特性1引言通常在分析由集成运放组成的微分电路时，将其中的集成运放看成是理想运算放大器。理想运放是一个重要的概念，也是分析运放应用电路的

3、一个有力工具。所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化。当然，实际的集成运算放大器不可能达到其理想化的技术指标，但是，由于制造集成运放工艺水平的不断提高，集成运放产品的各项性能指标日益改善。因此，一般情况下，在分析集成运放的应用电路时，将实际的集成运放视为理想运放所带来的误差，在工程上是允许的。理想运放工作在线性区时有两个重要特点：1理想运放的差模输入电压等于零由于工作在线性区故输入、输出之间符合式（式中是集成运放的输出端电压；U+和U_分别是其同相输入端和反相输入端的电压；是其开环差模电压增益。）而且，因理想运放的，即开环差模电压增

4、益为无穷大，故可得U+=U_，上式表示运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。但是该两点实际上并未真正被短路，只是表面上似乎短路，因而是虚假的短路，所以将这种现象称为“虚短”。2理想运放的输入电流等于零由于理想运放的差模输入电阻为无穷大，因此在其两个输入端均没有电流，故i+=i_=0此时，运放的同相输入端和反相输入端的电流都等于零，如同该两点被断开一样，这种现象被称为“虚断”。“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两点重要结论。微分电路使输出电压与输入电压的时间变化率成比例的电路。最简单的微分电路由电容器C和电

5、阻器R组成。如果在微分电路的输入端加上一个梯形波电压，当输入电压直线上升时，微分电路的输出电压为一个固定的负电压；当输入电压维持不变时，输出电压为零；当输入电压直线下降时，输出第8页共9页有源微分电路设计电压为一个固定的正电压。可见，微分电路可将一个梯形波转换为一负一正两个矩形波。微分电路也可以起移相作用。当输入电压为正弦波时，输出电压波形将比输入电压滞后90度。微分电路主要用于脉冲电路、模拟计算机和测量仪器中。2总体方案设计2.1设计原理由理想运放组成的微分电路其传递函数式为由上式绘制的幅频响应如下图由实验实际测量得到的幅频响应曲线如上图

6、所示，电路在6.6kHz处有一尖峰，而满足微分关系的上限频率小于1kHz，在大于6.6kHz后，电路的放大倍数急剧下降。这与由理想运放得出的传递函数所绘制的幅频响应图相差甚远，这是由理想运放与实际运放的差别所造成的的，其中主要是实际运放的频率特性造成的。因而，对于实际有源微分电路，假设运放为理想运放时，得到的结果在高频端与实际情况相差甚远，这是由实际运放的频率特性造成的。所以在有源微分电路的分析与设计中，若涉及到高频端则必须用实际运放模型代替理想运放模型。该设计是以UA741单管运放为主的微分电路。通过输入不同频率的波形经过微分，从而使得原

7、有的波形发生变化。该次设计是以频率为100HZ1KHz10KHZ方波为输入信号。方案设计图如下：信号发生器微分电路示波器改变频率2.2具体要求微分电路的工作过程是:如RC的乘积,即时间常数很小,在t=0+即方波跳变时,电容第8页共9页有源微分电路设计器C被迅速充电,其端电压,输出电压与输入电压的时间导数成比例关系.微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波,此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分,即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出.而对恒定部分则没有输出.输出的尖脉冲波形的宽度与R*C有关(即电路的时间常数),R*C越小,尖脉冲波形越尖,反之则宽

8、.此电路的R*C必须远远少于输入波形的宽度,否则就失去了波形变换的作用,变为一般的RC耦合电路了,一般R*C少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了.3、设计原理分析3.1微分电