Физическая реализация звена

Сразу отметим, что идеальное дифференцирующее звено физически нереализуемо. Вообще, любая передаточная функция с порядком числителя большим порядка знаменателя является физически нереализуемой. Укажем, какие факторы могут воспрепятствовать физической реализуемости:

§ нарушение причинности – выходной сигнал появляется раньше входного;

§ нереализуемая частотная характеристика, например, не стремящаяся к нулю при бесконечно больших частотах;

§ появление на выходе бесконечных значений сигналов при подаче физически реализуемых сигналов.

Строго говоря, физически нереализуемой является и ПФ с порядком числителя равным порядку знаменателя. Как мы видели ранее, даже идеальный усилитель не может быть физически реализован, не говоря уже об идеальном дифференцирующем звене, так как в обоих случаях АЧХ не стремятся к нулю при росте частоты.

Поскольку идеальное дифференцирующее звено физически нереализуемо, при этом сама операция дифференцирования часто встречается при описании процессов разной природы, то на практике часто используют "нетиповое" реальное дифференцирующее звено. Реальное дифференцирующее звено является соединением двух типовых звеньев - идеального дифференцирующего и инерционного, которые вместе приближённо описывающих операцию дифференцирования. Передаточная функция реального дифференцирующего звена имеет вид:

W(s) = T₁s/(T₂s + 1), где T₁ – постоянная времени дифференцирующей составляющей (время дифференцирования), а T₂ – постоянная времени апериодической составляющей. При малых значениях T₂, т.е. когда инерционность апериодического звена мала, составляющей T₂s в знаменателе передаточной функции можно пренебречь, тогда мы получим приближенную передаточную функцию идеального дифференцирующего звена:

W(s) = T₁s/(T₂s + 1) ≈ T₁s.

Такое звено хорошо работает при низких частотах. Максимальная частота, при которой реальное дифференцирующее звено еще работает "почти как идеальное" равна:

ω = 1/T₂.

Примерами дифференцирующего звена являются дифференцирующая цепочка, дифференцирующий трансформатор, операционный усилитель в режиме дифференцирования.