RC、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(hào)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(hào)VI，由電阻R輸出信號(hào)VO，當(dāng)RC數(shù)值與輸入方波寬度tW之間

2、滿足：RCt1），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VOVIVCVmVC），經(jīng)過大約3（RC）時(shí)，VCVm，VO0，（RC）的值愈小，此過程愈快，輸出正脈沖愈窄。t=t2時(shí)，VI由Vm0,相當(dāng)于輸入端被短路，電容原先充有左正右負(fù)的電壓Vm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，它的左端（正電）接地，所以VOVm，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3后，放電完畢，輸出一個(gè)負(fù)脈沖。只要脈沖寬度tW（510），在tW時(shí)間內(nèi)，電容C已完成充電或放電（約需3），輸出端就能輸出正負(fù)尖脈沖，才能成為微分電路，因而電路的充放電時(shí)間常數(shù)必須滿足：（1

3、/51/10）tW，這是微分電路的必要條件。由于輸出波形VO與輸入波形VI之間恰好符合微分運(yùn)算的結(jié)果VO=RC（dVI/dt），即輸出波形是取輸入波形的變化部分。如果將VI按傅里葉級(jí)展開，進(jìn)行微分運(yùn)算的結(jié)果，也將是VO的表達(dá)式。它主要用于對(duì)復(fù)雜波形的分離和分頻器，如從電視信號(hào)的復(fù)合同步脈沖分離出行同步脈沖和時(shí)鐘的倍頻應(yīng)用。 2. RC耦合電路圖1中，如果電路時(shí)間常數(shù)（RC）tW，它將變成一個(gè)RC耦合電路。輸出波形與輸入波形一樣。如圖3所示。 （1）在t=t1時(shí)，第一個(gè)方波到來，VI由0Vm，因電容電壓不能突變（VC=0），VO=VR=VI=Vm。（2）t1ttW，電容C緩慢充電，VC緩慢上升為

4、左正右負(fù)，VO=VR=VIVC，VO緩慢下降。（3）t=t2時(shí)，VO由Vm0，相當(dāng)于輸入端被短路，此時(shí)，VC已充有左正右負(fù)電壓=（VI/）tW，經(jīng)電阻R非常緩慢地放電。（4）t=t3時(shí)，因電容還來不及放完電，積累了一定電荷，第二個(gè)方波到來，電阻上的電壓就不是Vm，而是VR=Vm-VC（VC0），這樣第二個(gè)輸出方波比第一個(gè)輸出方波略微往下平移，第三個(gè)輸出方波比第二個(gè)輸出方波又略微往下平移，最后，當(dāng)輸出波形的正半周“面積”與負(fù)半周“面積”相等時(shí)，就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。也就是電容在一個(gè)周期內(nèi)充得的電荷與放掉的電荷相等時(shí)，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(hào)中電壓的直流分量（利用C的隔直作

5、用），把輸入信號(hào)往下平移這個(gè)直流分量，便得到輸出波形，起到傳送輸入信號(hào)的交流成分，因此是一個(gè)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與的關(guān)系，下面比較一下與方波周期T（TtW）不同時(shí)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(gè)周期內(nèi)正、負(fù)“面積”相等，即其平均值為0，不再含有直流成份。當(dāng)T時(shí)，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(dāng)=T時(shí)，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(dāng)tW，這種電路稱為積分電路。在電容C兩端（輸出端）得到鋸齒波電壓，如圖6所示。 （3）t=t2

6、時(shí)，VI由Vm0，相當(dāng)于輸入端被短路，電容原先充有左正右負(fù)電壓VI（VItW是本電路必要條件，因?yàn)樗窃诜讲ǖ絹砥陂g，電容只是緩慢充電，VC還未上升到Vm時(shí)，方波就消失，電容開始放電，以免電容電壓出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定電壓值，而且越大，鋸齒波越接近三角波。輸出波形是對(duì)輸入波形積分運(yùn)算的結(jié)果，它是突出輸入信號(hào)的直流及緩變分量，降低輸入信號(hào)的變化量。 4. RC濾波電路（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）。(1)在圖7的低通濾波電路中，它跟積分電路有些相似（電容C都是并在輸出端），但它們是應(yīng)用在不同的電路功能上，積分電路

7、主要是利用電容C充電時(shí)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(hào)旁路掉（因XC=1/（2fC），f較大時(shí)，XC較小，相當(dāng)于短路），因而電容C的值是參照低頻點(diǎn)的數(shù)值來確定，對(duì)于電源的濾波電路，理論上C值愈大愈好。(2)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(dāng)?shù)碾娙軨值，就可以有選擇性地讓較高頻的信號(hào)通過，而阻斷直流及低頻信號(hào)，如高音喇叭串接的電容，就是阻止中低音進(jìn)入高音喇叭，以免燒壞。另一方面，在多級(jí)交

8、流放大電路中，它也是一種耦合電路。 5. RC脈沖分壓器當(dāng)需要將脈沖信號(hào)經(jīng)電阻分壓傳到下一級(jí)時(shí)，由于電路中存在各種形式的電容，如寄生電容，它相當(dāng)于在負(fù)載側(cè)接有一負(fù)載電容（如圖9），當(dāng)輸入一脈沖信號(hào)時(shí)，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，可在R1兩端并接一加速電容C1，這樣組成一個(gè)RC脈沖分壓器（如圖10）。(1)t=0+時(shí)，電容視為短路，電流只流經(jīng)C1，CL，VO由C1和CL分壓得到： 但是，任何信號(hào)源都有一定的內(nèi)阻，以及一些電路的需要，通常采取過補(bǔ)償?shù)霓k法，如電視信號(hào)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

9、，方向單一了，但是大?。娏鲝?qiáng)度）還是處在不斷地變化之中。這種脈動(dòng)直流一般是不能直接用來給無線電裝供電的。要把脈動(dòng)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(dòng)成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電。 一、電容濾波 電容器是一個(gè)儲(chǔ)存電能的倉庫。在電路中，當(dāng)有電壓加到電容器兩端的時(shí)候，便對(duì)電容器充電，把電能儲(chǔ)存在電容器中；當(dāng)外加電壓失去（或降低）之后，電容器將把儲(chǔ)存的電能再放出來。充電的時(shí)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(shí)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(fù)載電阻值越大

10、，充電和放電所需要的時(shí)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(dān)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(fù)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(dǎo)通期間，e2向負(fù)載電阻Rfz提供電流的同時(shí)，向電容器C充電，一直充到最大值。e2達(dá)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(shí)，D受反向電壓，不能導(dǎo)通，于是Uc便通過負(fù)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(dāng)e2下一個(gè)周期來到并升高到大于Uc時(shí)，又再次對(duì)電容器充電。如此重復(fù)，電

11、容器C兩端（即負(fù)載電阻Rfz：兩端）便保持了一個(gè)較平穩(wěn)的電壓，在波形圖上呈現(xiàn)出比較平滑的波形。圖5-10（a）（b）中分別示出半波整流和全波整流時(shí)電容濾波前后的輸出波形。 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(dá)到一定值以后，再加大電容量對(duì)提高濾波效果已無明顯作用。通常應(yīng)根據(jù)負(fù)載電用和輸出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出電流的關(guān)系，可供參考。電容器的耐壓值一般取的15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。表一、輸出電流2A左右1A左右0.5-1A左右100-50mA50mA以下濾波電容4000u2000u1000u500u200u-500u200u表二、輸入交流電壓（有效值）負(fù)載開路時(shí)的輸出電壓帶負(fù)載時(shí)的輸出電壓每管承受的最大反向電壓半 波 整 流全 波 整 流橋 式 整 流E2E2+E2E2約0.6E2約1.2E2約1.2E2采用電容濾波的整流電路，輸出電壓隨時(shí)出電流變化較大，這對(duì)于變化負(fù)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(duì)交流阻抗大而對(duì)直流用抗小的特點(diǎn)，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(dòng)小，隨負(fù)載變化也很小，適用于負(fù)載電流較大的場合。三、復(fù)式濾波器。把電容按在負(fù)載并聯(lián)支路，把電感或電阻接在串聯(lián)支路，可以組成復(fù)式濾波器，達(dá)到更