Дифференцирующий усилитель

Дифференциатор (дифференцирующий усилитель) – это устройство, выходное напряжение которого пропорционально скорости изменения входного напряжения. Дифференциаторы применяются для получения коротких импульсов, выделения фронтов импульсов и т. д. Схема простейшего дифференциатора приведена на рисунке 3.16.

Для вывода выражения, устанавливающего связь между выходным и входным напряжениями дифференцирующего усилителя, воспользуемся тем же подходом, который использовали при анализе интегрирующего усилителя. По первому закону Кирхгофа для узла, к которому подключен инвертирующий вход ОУ, можно записать

.

Рисунок 3.16 – Дифференцирующий усилитель на ОУ

Токи в конденсаторе и резисторе можно представить выражениями

,

,

тогда

,

. (3.29)

Из-за ограниченной полосы пропускания и конечного значения коэффициента усиления реальных ОУ достаточно точно реализовать полученную зависимость не представляется возможным. Кроме того, анализ показывает, что в простейшей схеме дифференцирующего усилителя на ОУ могут возникать самовозбуждения из-за спада коэффициента усиления реального ОУ на высоких частотах и дополнительных фазовых сдвигов, вносимых цепью ООС. Поэтому на практике применяют различные модифицированные схемы дифференциаторов, в которых частично или полностью устранены отмеченные недостатки. Пример одной из таких схем представлен на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17 – Модифицированная схема дифференциатора

Дифференциатор может быть использован в качестве простейшего фильтра высших частот (ФВЧ) с частотой среза w_н, определяемой (для схемы на рисунке 3.17) из соотношения

. (3.30)

Частота единичного усиления ФНЧ определяется из выражения

, (3.31)

где – коэффициент усиления инвертирующего усилителя с ООС.

Вид АЧХ дифференцирующего усилителя (изображенного на рисунке 3.17) представлен на рисунке 3.18. Как видно из рисунка, схема дифференцирующего усилителя может в полной мере выполнять свои функции (дифференцирование входного сигнала) только в диапазоне частот от 0 до w_в. На более высоких частотах наблюдается спад АЧХ, обусловленный спадом собственной АЧХ операционного усилителя. Именно по этой причине реальный дифференцирующий усилитель по своим характеристикам ближе к полосовым фильтрам.

Рисунок 3.18 – АЧХ дифференцирующего усилителя