一文講解RC電路耦合、相移、濾波、微分、積分

所謂RC電路，就是電阻R和電容C組成的一種分壓電路。如下圖1所示：輸入電壓加于RC串聯(lián)電路兩端，輸出電壓取自于電阻R或電容C。由于電容的特殊性質(zhì)，對下圖

(a)和

(b)不同的輸出電壓取法，呈現(xiàn)出不同的頻率特性。

由此RC電路在電子電路中作為信號的一種傳輸電路，根據(jù)需要的不同，在電路中實現(xiàn)了耦合、相移、濾波等功能，并且在階躍電壓作用下，還能實現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換、產(chǎn)生等功能。所以，看起來非常簡單的RC電路，在電子電路中隨處可見，有必要對它的基本應(yīng)用加以討論。圖1基本RC電路1、RC耦合電路RC耦合電路即阻容耦合電路,

是多級放大器級間耦合方式的基本形式.

如下圖

2所示為兩級放大器,

第一級的輸出電壓就是通過如下圖

3所示的

RC阻容耦合電路加到第二級上的，其中C

=

C2,

R

為

R5

與

rbe2

+

(

1+β)

R6

的并聯(lián),

Ui就是第一級的空載輸出電壓,

Uo就是第二級的輸入電壓.

實際上整個放大器的輸入耦合電路、輸出耦合電路都是一個輸出電壓取自于電阻的如圖3所示的

RC耦合電路.

對這種耦合電路輸出電壓可表示為:當(dāng)傳輸信號的頻率很高時,即:f＞fL時:Uo=Ui,即第二級得到的輸入電壓等于第一級的輸出電壓,耦合電容相當(dāng)于通路.即這種情況下,RC耦合電路將被傳輸?shù)男盘枱o衰減地、且無相移地由上級耦合到下級.

當(dāng)被傳輸信號的頻率降低到f=fL時:輸出電壓的大小等于輸入電壓大小的1/且相位超前45度.由通頻

帶的概念,這就是下界頻率.由上可見,RC電路作為耦合電路,能否將被傳送的信號順利地耦合下去,完全由被傳送信號頻率和RC電路的參數(shù)比較后決定的.一般來說,RC電路的時間τ=RC遠大于被傳送信號的周期T,即被傳輸信號的頻率遠大于由電路參數(shù)決定的下界頻率時,這種RC耦合電路中的電容相當(dāng)于通路.圖2兩級放大電路圖3RC耦合電路2、RC相移電路RC電路作為二端傳輸網(wǎng)絡(luò),若輸出電壓取自于電阻,則輸出電壓的相位超前;若輸出電壓取自于電容,則輸出電壓的相位落后.這種超前或落后最大可達90度,但此時輸出電壓的幅值也趨近于0.一般在電路中,使之信號通過RC電路,

既有一定的相移,又有一定的電壓幅值,這樣RC電路就成了一個相移電路.在電

路中,根據(jù)需要的不同,將若干節(jié)RC電路串聯(lián)去實現(xiàn)對某一頻率的信號進行一定角度的相位移動.圖4是一個RC相移式正弦波振蕩器電路.

三節(jié)RC相移電路在振蕩電路中既是正反饋網(wǎng)絡(luò),又是選頻網(wǎng)絡(luò),合理選其電路參數(shù),對某一頻率的信號通過RC相移電路,使之每一節(jié)的平均相移為60度,總相移為180度,從而滿足振蕩平衡條件,對這一頻率的信號發(fā)生振蕩.3、濾波電路濾波電路是一種能使有用頻率信號順利通過,而對無用頻率信號起抑制和衰減作用的電子電路.由于電容阻低頻通高頻的基本性質(zhì),濾波電路的基本組成部分仍是一個RC電路,當(dāng)輸出電壓取自于電阻時,它就

是一個高通濾波器;

當(dāng)輸出電壓取自于電容時,它就是一個低通濾波器.為了隔斷負載對RC電路的影響,常將RC電路和集成運放組合起來組成有源濾波器,如圖5所示為一階有源低通濾波器電路.將圖中的R和C

的位置互換,即得到一階有源高通濾波器.為了使被抑制的頻率成分在截止頻率以外衰減更快,可以將幾節(jié)

RC電路串聯(lián)使用,而得到高階有源濾波器,也可將不同性質(zhì)的RC電路相互串并聯(lián)使用,得到所謂帶通濾波器和帶阻濾波器等.圖4RC相移振蕩電路圖5一階低通濾器4、微分電路和積分電路前面三個問題討論的是不同頻率的正弦信號通過RC電路時,電路所反映出的性質(zhì).當(dāng)電路中信號電壓發(fā)生階躍變化時,由于電容的充放電的性質(zhì),使之被傳輸?shù)男盘柊l(fā)生另一種變化,這就微分電路和積分電路.4.1微分電路所謂微分電路仍是一節(jié)RC電路,輸出電壓取之于電阻R.當(dāng)輸入電壓為階躍變化的矩形脈沖時,且RC電路的充放電時間常數(shù)τ=RC＜TK(脈沖寬度)時,能將輸入的矩形脈沖變成寬度為τ的尖脈沖.如圖6所示,由于時間常數(shù)遠小于脈沖寬度,脈沖上升沿來到時,電容通過電阻R充電,很快充滿,電路中的電流變?yōu)榱?輸出電壓變?yōu)榱?由此在R上得到一個與上升沿相對應(yīng)的正的尖脈沖.

當(dāng)脈沖下降沿來到時,電容通過電阻R反向放電,同理放電過程很快,在電阻R上得到一個與下降沿對應(yīng)的負的尖脈沖.由于通過電容的電流為：圖6微分電路將矩形脈沖變成尖脈沖即輸出電壓近似與輸入電壓的微分成正比,微分電路由此得名.為使輸出電壓不受負載的影響,RC電路

跟運放組合接成如圖7所示的形式,由于運放反向端虛地,輸出電壓取之于反饋電阻R.微分電路的本質(zhì)仍是RC電路,運放在此起隔離和緩沖作用.圖7由運放組成的微分電路4.2積分電路與微分電路相反,積分電路中輸出電壓取之與電容.如圖8所示,當(dāng)RC電路的時常數(shù)τ=RC＞TK(脈沖寬度)時,能將輸入的矩形脈沖變成幅度隨時間線性變化的鋸齒波.由于RC電路

的充放電時間常數(shù)τ遠大于脈沖寬度TK,脈沖上升沿來到時,電容通過電阻R充電,遠沒有充滿,即剛經(jīng)過充電曲線的起始部分,脈沖下降沿來到,電容又開始放電,遠沒有放完,又在上升沿作用下充電,由

此在電容上得到隨時間近似成線性變化的鋸齒波電壓.圖8積分電路將矩形脈沖變?yōu)殇忼X波因為τ＞TK在輸入矩形脈沖的持續(xù)時間內(nèi),電容上的電壓上升不多,即:Uo＜UR,則：由此得到：即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比,由此得名積分電路.同理,為使RC積分電路不受負載的影響,同樣跟運放組合接成如圖9形式的電路.運放反向端虛地,輸出電壓取之于電容.可見積分電路的本質(zhì)仍是RC

電路,運放在此起隔離和緩沖作用.由上討論可知:微分電路和積分電路從本質(zhì)來說都是一節(jié)RC電路,微分電路中輸出電壓取之于電阻,其時間常數(shù)遠小于脈沖寬度.積分電路中輸出電壓取之于電容,其時間常數(shù)遠大于脈沖寬度.圖9由運放組成的積分電路除了上述的四種情況以外,還有一種重要的應(yīng)用,即根據(jù)電容充放電時其兩端電壓的變化情況,在電路中起延時開關(guān)作用,在波形產(chǎn)生電路中和定時電路中有著廣泛的應(yīng)用.5、結(jié)論RC電路的本質(zhì)就是一個分壓電路