RC電路和濾波電路

1、RC電路的應(yīng)用RC電路在模擬電路、脈沖數(shù)字電路中得到廣泛的應(yīng)用，由于電路的形式以及信號源和R, C元件參數(shù)的不同，因而組成了 RC電路的各種應(yīng)用形式：微分電路、 積分電路、耦合電路、濾波電路及脈沖分壓器。關(guān)鍵詞：RC電路。微分、積分電路。耦合電路。在模擬及脈沖數(shù)字電路中，常常用到由電阻R和電容C組成的 RC電路，在些電路中， 電阻R和電容C的取值不同、輸入和輸出關(guān)系以及處理 的波形之間的關(guān)系，產(chǎn)生了 RC電路的 不同應(yīng)用，下面分別談?wù)勎⒎蛛娐?、積分 電路、耦合電路、脈沖分壓器以及濾波電路。1. RC微分電路如圖1所示，電阻R和電容C串聯(lián)后接入輸入信號V，由電阻R輸出信號V 。，當RC數(shù)值與輸入

2、方波寬度tw之間滿足：R«tw,這種電路就稱為微分電路。 在R兩端（輸出端）得到正、負相間的尖脈沖，而且發(fā)生在方波的上升沿和下 降沿，如圖2所示。O | Lo圖1 RC嶽分電路喇陽11HI *1S 2尺鬲増的叢脈秤在t=t 1時，V由OVm,因電容上電壓不能突變（來不及充電，相當于短 路, VC= 0）,輸入電壓V全降在電阻R上，即卩Vr= V = V m。隨后（t>t 1 ），電 容C的電壓按指數(shù)規(guī)律快速充電上升，輸出電壓隨之按指數(shù)規(guī) 律下降(因VO= V I - VC= V VC),經(jīng)過大約 3t (t= R X C)時，VCVmVOQ T ( RC 的值愈 小，此過程愈快

3、，輸出正 脈沖愈窄。t=t 2時，V由V- 0,相當于輸入端被短路，電容原先充有左正右負的電壓 V m 開始按指數(shù)規(guī)律經(jīng)電阻R放電，剛開始，電容C來不及放電，他的左端(正電) 接地，所以VO=-V，之后Vo隨電容的放電也按指數(shù)規(guī)律減小，同樣經(jīng)過大約3t后，放電完畢，輸出一個負脈沖。只要脈沖寬度tW> (510) t，在tW寸間內(nèi)，電容C已完成充電或放電(約 需3 t )，輸出端就能輸出正負尖脈沖，才能成為微分電路，因而電路的充放 電時間常數(shù)t必須 滿足：t <( 1/5 1/10 ) tw,這是微分電路的必要條件。由于輸出波形VO與輸入波形V之間恰好符合微分運算的結(jié)果VO=RC(

4、dVi /dt ),即輸出波形是取輸入波形的變化部分。如果將V按傅里葉級展開，進行微分運算的結(jié)果，也將是 V3的表達式。他主要用于對復雜波形的分離和分 頻器，如從電視信號的復合同步脈沖分離出行同步脈沖和時鐘的倍頻應(yīng)用。2. RC耦合電路圖1 中,如果電路時間常數(shù)t (RC >>tw他將變成一個RC耦合電路。輸 出 波形與輸入波形一樣。如圖3所示。ffi 3舍電路強形(1) 在t=t 1時，第一個方波到來，V由0-Vm，因電容電壓不能突變(VC=0)， V=V=V=Vn。(2) t1<t<t2時，因T >>tw，電容C緩慢充電，VC緩慢上升為左正右負， V o

5、=V?=V V：，Vo緩慢下降。(3) t=t 2時，VO由Vm-0,相當于輸入端被短路，此時，Vc已充有左 正右 負電壓 = (V/ T)Xt呵，經(jīng)電阻R非常緩慢地放電。(4) t=t 3時，因電容還來不及放完電，積累了一定電荷，第二個方波到來，電阻上的電 壓就不是Vm,而是Vr=VtVc (VCM0),這樣第二個輸出 方波比第一 個輸出方 波略微往下平移，第三個輸出方波比第二個輸出方波又略微往下平 移，最后，當輸出波 形的正半周“面積”與負半周“面積”相等時，就達 到了穩(wěn)定狀態(tài)。也就是電容在一個周期內(nèi)充得的電荷與放掉的電荷相等時，輸出波形就穩(wěn)定不再平移，電容上的平均電壓等于輸入 信號中電壓

6、的直流分量(利 用C的隔直作用)，把輸入信號往下平移這個直流分量，便得到輸出波形，起到傳送輸入信號的交流成分，因此是一個耦合電路。以上的微分電路與耦合電路，在電路形式上是一樣的，關(guān)鍵是tW與T的關(guān)系，下面比 較一下T與方波周期T (T>tw不同時的結(jié)果，如圖4所示。在這 三種情形中，由于電 容C的隔直作用，輸出波形都是一個周期內(nèi)正、負“面積” 相等，即其平均值為0,不再含有 直流成份。 當t >>T時，電容C的充放電非常緩慢，其輸出波形近似理想方波，是理 想耦合電路。 當t =T時，電容C有一定的充放電，其輸出波形的平頂部分有一定 的下降或上升，不是理想方波。 當t <

7、<T時，電容C在極短時間內(nèi)(tW已充放電完畢，因而輸出波形為 上下尖脈沖，是微分電路。圖4與丁的比絞圖3. RC積分電路如圖5所示，電阻R和電容C串聯(lián)接入輸入信號VI，由電容C輸出信號V0, 當RC (t)數(shù)值與輸入方波寬度tW之間滿足：t >>tW,這種電路稱為積分電 路。在S RC梆井電路電容C兩端（輸出端）得到鋸齒波電壓，如圖 6所示。2鞋時勒由0因電容電壓不能夷變芒=時電容開始充電，按指數(shù)規(guī)律上升.V, = V. -f由于工於切,電容充電非常製懂叫上升很小.vt«v所以Kt = V. +匕:全耳=iR = Vu工JR、囚而播出皚壓（%）二 1/Cxpdr I

8、/cfv./? X diVjRCXt.可見籍岀信號VC（V.>與輸人信號也g的積分成正比.（3） t=t2時，VI由Vmn0,相當于輸入端被短路，電容原先充有左正右負電 壓 VI（VlvVm）經(jīng)R緩慢放電，VO（VC按指數(shù)規(guī)律下降。這樣，輸出信號就是鋸齒波，近似為三角形波， T >>tW是本電路必要條件， 因為他是 在方波到來期間，電容只是緩慢充電， VC還未上升到vm時，方波就 消失，電容 開始放電，以免電容電壓出現(xiàn)一個穩(wěn)定電壓值，而且 T越大，鋸齒波越接近三角波。輸出波 形是對輸入波形積分運算的結(jié)果 他是突出輸入信號的直流及緩變分量，降低輸入信號的變化量 4. RC濾波電

9、路（無源在模擬電路，由RC組成的無源濾波電路中，根據(jù)電容的接法及大小主要可 分為低通濾波 電路（如圖7）和高通濾波電路（如圖8）。re 7低通愎詵電路ffi K 縞逓濾渡電路（1）在圖7的低通濾波電路中，他跟積分電路有些相似（電容C都是并在輸出端），但 他們是應(yīng) 用在不同的電路功能上，積分電路主要是利用電容 C充電 時的積分作用，在輸入方波情形下 ，來產(chǎn)生周期性的鋸齒波（三角波），因此 電容C及電阻R是根據(jù)方波的tw來選取，而 低通濾波電路，是將較高頻率的信 號旁路掉（因XC=1/（2 n fC），f較大時，XC較小,相當于短路），因而電容 C的值是參照低頻點的數(shù)值來確定，對于 電源的濾波電路

10、，理 論上C值愈大愈 好。 圖8的高通濾波電路與微分電路或耦合電路形式相同。在脈沖數(shù)字電路 中，因RC與脈 寬tW的關(guān)系不同而區(qū)分為微分電路和耦合電路；在模擬電路， 選擇恰當?shù)碾娙軨值，就可以有選擇性地讓較高頻的信號通過，而阻斷直流及 低頻信號，如高音喇叭串接的電容，就是阻止中低音進入高音喇叭，以免燒壞。另一方面，在多級交流放大電路中，他也是一種耦合電路。5. RC脈沖分壓器當需要將脈沖信號經(jīng)電阻分壓傳到下一級時， 由于電路中存在各種形式的電 容，如寄生電容，他相當于在負載側(cè)接有一負載電容（如圖 9），當輸入一脈 沖信號時，因電容CL的 充電，電壓不能突變，使輸出波形前沿變壞，失真。為 此，可

11、在R1兩端并接一加速電容C1，這樣組成一個RC脈沖分壓器（如圖10）。圖9電路中確有負載電容4f1W)kTA r»嶺仟)(Ci «ia)If(h)Tr心(0)1以L)(G太大)亠0(C)TF t15 11 G辱出的不同波形(1)t=0 +時，電容視為短路，電流只流經(jīng)Cl, Cl, Vo由Cl和Q分壓得到:= V, X Cl/<C1 + CJf丘0時電容視為開路俺腕只流經(jīng)尺心此由比和出分壓得到<=比 X RJg + 礙VJ0*>波形就擡輸人波辯豎分壓肓不失具件輸I如陽H 00).即，¥. X C./tC, + CJJ -V.X RJg + 出Cj

12、= X RJ 疋.C,<CU X MS"心x%g 時，出現(xiàn)欠補Ch > CL X局A時出現(xiàn)過補燃*但是，任何信號源都有一定的內(nèi)阻，以及一些電路的需要，通常采取過 補償?shù)霓k法，如電視 信號中，為突出傳送圖像的輪廓，采用勾邊電路，就是通 過加大C1的取值。濾波電路交流電經(jīng)過二極管整流之后，方向單一了，但是大小(電流強度)還是處在不斷地變化之中。這種脈動直流一般是不能直接用來給無線電裝供電的。要把脈動直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番“填平取齊”的工作，這便是濾波。換句話說，濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中 的波動成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電。、電容濾波電容器

13、是一個儲存電能的倉庫。在電路中，當有電壓加到電容器兩端的時候，便對電容器 充電，把電能儲存在電容器中；當外加電壓失去(或降低)之后，電容器將把儲存的電能再放岀 來。充電的時候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時候，電容器兩端的 電壓逐漸降低，直到完全消失。電容器的容量越大，負載電阻值越大，充電和放電所需要的時間越長。這種電容帶兩端電壓不能突變的特性，正好可以用來承擔濾波的任務(wù)。圖5-9是最簡單的電容濾波電路，電容器與負載電阻并聯(lián)，接在整流器后面，下面以圖5-9(a)所示半波整施情況說明電容濾波的工作過程。在二極管導通期間，e2向負載電阻Rfz提供電流的同時，向電容器C充電，一

14、直充到最大值。e2達到最大值以后逐漸下降；而電容器兩端電壓不能突然變化，仍然保持較高電壓。這時，D受反向電壓，不能導通，于是Uc便通過負載電阻Rfz放電。由于C和Rfz較大，放電速度很慢，在e2下降期間里，電容器 C上的電壓降得不多。當e2下一個周期來到并升高到大于Uc時，又再次對電容器充電。如此重復，電容器 C兩端(即負載電阻 Rfz :兩端)便保持了一個較平穩(wěn)的電壓，在波形圖上呈現(xiàn)岀比較平滑的波形。圖5-10 (a)( b)中分別示岀半波整流和全波整流時電容濾波前后的輸岀波形。顯然，電容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高。但是，電容量 達到一定值以后， 再加大電容量對

15、提高濾波效果已無明顯作用。通常應(yīng)根據(jù)負載電用和輸岀電說的大小選擇最佳電容量。表5-2中所列濾波電容器容量和輸岀電流的關(guān)系，可供參考。電容器的耐壓值一般取的1 . 5倍。表5-3中列出帶有濾波器的整流電路中各電壓的關(guān)系。輸出電流2A左右1A左右0.5-1A左右0.1-0.5A100-50mA50 mA以下濾波電容4000U2000U1000U500U200U-500U200U表二、輸入交流電壓負載開路時的帶負載時的每管承受的最（有效值）輸出電壓輸出電壓大反向電壓半波整流E2約0.6E2全波整流E2+E2約1.2E2橋式整流E2約1.2E2采用電容濾波的整流電路，輸出電壓隨時出電流變化較大，這對于變化負載（如乙類推挽電路）來說是很不利的。二、電感濾波利用電感對交流阻抗大而對直流用抗小的特點，可以用帶鐵芯的線圈做成濾波器。電磁濾波輸出電壓較低，相輸出電壓波動小，隨負載變化也很小，適用于負載電流較大的場合。三、