設計目標

設計說明

微分器電路會根據電路時間常數和放大器的帶寬來輸出某個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反相。理想的微分器電路基本上都不穩定，需要增加輸入電阻器和反饋電容器或這二者之一，才能達到穩定。實現穩定性所需的組件限制了執行微分器功能的帶寬。

設計說明

1. 為 R₂ 選擇一個較大的電阻，以使 C₁ 的值保持在合理范圍內。
2. 可以添加一個與 R₂ 并聯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電壓，從而設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電壓。
4. 在線性輸出電壓擺幅（請參閱 Aol 規格）內運行，從而最大限度地降低非線性誤差。

設計步驟

下面給出了理想電路傳遞函數。

1. 將 R₂ 設置為較大的標準值。
   $R_2=499\mathrm{k\Omega }$
2. 將最小微分頻率設置為在最小工作頻率至少二分之一十倍頻之下。
   $C_1\ge \frac{3.5}{2\times \pi \times R_2\times f_{\min }}\ge \frac{3.5}{2\times \pi \times 499\mathrm{k\Omega }\times 100\mathrm{Hz}}\ge 11.1 \mathrm{nF}\approx 15\mathrm{nF} （\mathrm{標準} 值）$
3. 將截止頻率上限設置為在最高工作頻率至少二分之一十倍頻之上。
   $R_1\le \frac{1}{3.5\times 2\times \pi \times C_1\times f_{\mathrm{Max}}}\le \frac{1}{7\times \pi \times 15\mathrm{nF}\times 2.5\mathrm{kHz}}\le 1.2\mathrm{k\Omega }\approx 1 \mathrm{k\Omega } （\mathrm{標準} 值）$
4. 計算使電路保持穩定所必需的運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. 如果添加一個與 R₂ 并聯的反饋電容器 C_F ，則計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. 計算用于實現 2.5V 基準電壓的電阻分壓器值。
   $R_3=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{ref}}}\times R_4=\frac{5V-2.5V}{2.5V}\times R_4=R_4{R}_3=R_4=100\mathrm{k\Omega } （\mathrm{標準} 值）$

設計仿真

交流仿真結果

瞬態仿真結果

2.5kHz 正弦波輸入可產生 2.5kHz 余弦輸出。

2.5kHz 方波輸入可產生脈沖輸出。

100kHz 三角波輸入可產生方波輸出。

設計特色運算放大器

請參閱《模擬工程師電路設計指導手冊》，了解有關 TI 綜合電路庫的信息。

請參閱電路 SPICE 仿真文件 SBOC497。

設計備選運算放大器