設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說明

微分器電路會根據(jù)電路時(shí)間常數(shù)和放大器的帶寬來輸出某個(gè)頻率范圍上輸入信號的微分。會向反相輸入施加輸入信號，以使輸出相對于輸入信號的極點(diǎn)反相。理想的微分器電路基本上都不穩(wěn)定，需要增加輸入電阻器和反饋電容器或這二者之一，才能達(dá)到穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性所需的組件限制了執(zhí)行微分器功能的帶寬。

設(shè)計(jì)說明

1. 為 R₂ 選擇一個(gè)較大的電阻，以使 C₁ 的值保持在合理范圍內(nèi)。
2. 可以添加一個(gè)與 R₂ 并聯(lián)的電容器來濾除電路中的高頻率噪聲。從距離濾波器截止頻率大約二分之一個(gè)十倍頻（大約 3.5 倍）開始，該電容器將會限制微分器功能的有效性。
3. 可以向同相輸入施加基準(zhǔn)電壓，從而設(shè)置可支持該電路使用單電源的直流輸出電壓。可以使用分壓器分壓得到基準(zhǔn)電壓。
4. 在線性輸出電壓擺幅（請參閱 Aol 規(guī)格）內(nèi)運(yùn)行，從而最大限度地降低非線性誤差。

設(shè)計(jì)步驟

下面給出了理想電路傳遞函數(shù)。

1. 將 R₂ 設(shè)置為較大的標(biāo)準(zhǔn)值。
   $R_2=499\mathrm{k\Omega }$
2. 將最小微分頻率設(shè)置為在最小工作頻率至少二分之一十倍頻之下。
   $C_1\ge \frac{3.5}{2\times \pi \times R_2\times f_{\min }}\ge \frac{3.5}{2\times \pi \times 499\mathrm{k\Omega }\times 100\mathrm{Hz}}\ge 11.1 \mathrm{nF}\approx 15\mathrm{nF} （\mathrm{標(biāo)準(zhǔn)} 值）$
3. 將截止頻率上限設(shè)置為在最高工作頻率至少二分之一十倍頻之上。
   $R_1\le \frac{1}{3.5\times 2\times \pi \times C_1\times f_{\mathrm{Max}}}\le \frac{1}{7\times \pi \times 15\mathrm{nF}\times 2.5\mathrm{kHz}}\le 1.2\mathrm{k\Omega }\approx 1 \mathrm{k\Omega } （\mathrm{標(biāo)準(zhǔn)} 值）$
4. 計(jì)算使電路保持穩(wěn)定所必需的運(yùn)算放大器增益帶寬積 (GBP)。
   $\mathrm{GBP}>\frac{R_1+R_2}{2\times \pi \times {R_1}^2\times C_1}>\frac{499\mathrm{k\Omega }+1 \mathrm{k\Omega }}{2\times \pi \times 1 {\mathrm{k\Omega }}^2\times 15\mathrm{nF}}>5.3\mathrm{MHz}$
   • TLV9061 的帶寬為 10MHz，因此滿足該要求。
5. 如果添加一個(gè)與 R₂ 并聯(lián)的反饋電容器 C_F ，則計(jì)算截止頻率的公式如下所示。
   $f_c=\frac{1}{2\times \pi \times R_2\times C_F}$
6. 計(jì)算用于實(shí)現(xiàn) 2.5V 基準(zhǔn)電壓的電阻分壓器值。
   $R_3=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{ref}}}\times R_4=\frac{5V-2.5V}{2.5V}\times R_4=R_4{R}_3=R_4=100\mathrm{k\Omega } （\mathrm{標(biāo)準(zhǔn)} 值）$

設(shè)計(jì)仿真

交流仿真結(jié)果

瞬態(tài)仿真結(jié)果

2.5kHz 正弦波輸入可產(chǎn)生 2.5kHz 余弦輸出。

2.5kHz 方波輸入可產(chǎn)生脈沖輸出。

100kHz 三角波輸入可產(chǎn)生方波輸出。

設(shè)計(jì)特色運(yùn)算放大器

請參閱《模擬工程師電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊》，了解有關(guān) TI 綜合電路庫的信息。

請參閱電路 SPICE 仿真文件 SBOC497。

設(shè)計(jì)備選運(yùn)算放大器