RC電路和濾波電路.doc

RC電路的應用RC電路在模擬電路、脈沖數字電路中得到廣泛的應用，由于電路的形式以及信號源和R，C元件參數的不同，因而組成了RC電路的各種應用形式：微分電路、積分電路、耦合電路、濾波電路及脈沖分壓器。關鍵詞：RC電路。微分、積分電路。耦合電路。在模擬及脈沖數字電路中，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、輸入和輸出關系以及處理的波形之間的關系，產生了RC電路的不同應用，下面分別談談微分電路、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串聯后接入輸入信號VI，由電阻R輸出信號VO，當RC數值與輸入方波寬度tW之間滿足：RCt1），電容C的電壓按指數規(guī)律快速充電上升，輸出電壓隨之按指數規(guī)律下降（因VOVIVCVmVC），經過大約3（RC）時，VCVm，VO0，（RC）的值愈小，此過程愈快，輸出正脈沖愈窄。t=t2時，VI由Vm0,相當于輸入端被短路，電容原先充有左正右負的電壓Vm開始按指數規(guī)律經電阻R放電，剛開始，電容C來不及放電，他的左端（正電）接地，所以VOVm，之后VO隨電容的放電也按指數規(guī)律減小，同樣經過大約3后，放電完畢，輸出一個負脈沖。只要脈沖寬度tW（510），在tW時間內，電容C已完成充電或放電（約需3），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必須滿足：（1/51/10）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算的結果VO=RC（dVI/dt），即輸出波形是取輸入波形的變化部分。如果將VI按傅里葉級展開，進行微分運算的結果，也將是VO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用。 2. RC耦合電路圖1中，如果電路時間常數（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。 （1）在t=t1時，第一個方波到來，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緩慢上升為左正右負，VO=VR=VIVC，VO緩慢下降。（3）t=t2時，VO由Vm0，相當于輸入端被短路，此時，VC已充有左正右負電壓=（VI/）tW，經電阻R非常緩慢地放電。（4）t=t3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=Vm-VC（VC0），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，關鍵是tW與的關系，下面比較一下與方波周期T（TtW）不同時的結果，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正、負“面積”相等，即其平均值為0，不再含有直流成份。當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時，VI由Vm0，相當于輸入端被短路，電容原先充有左正右負電壓VI（VItW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，以免電容電壓出現一個穩(wěn)定電壓值，而且越大，鋸齒波越接近三角波。輸出波形是對輸入波形積分運算的結果，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濾波電路（無源）在模擬電路，由RC組成的無源濾波電路中，根據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，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，來產生周期性的鋸齒波（三角波），因此電容C及電阻R是根據方波的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/（2fC），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值來確定，對于電源的濾波電路，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。在脈沖數字電路中，因RC與脈寬tW的關系不同而區(qū)分為微分電路和耦合電路；在模擬電路，選擇恰當的電容C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）。(1)t=0+時，電容視為短路，電流只流經C1，CL，VO由C1和CL分壓得到： 但是，任何信號源都有一定的內阻，以及一些電路的需要，通常采取過補償的辦法，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，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。 一、電容濾波 電容器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出來。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。 圖5-9是最簡單的電容濾波電路，電容器與負載電阻并聯，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，電容量達到一定值以后，再加大電容量對提高濾波效果已無明顯作用。通常應根據負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系。表一、輸出電流2A左右1A左右0.5-1A左右0.1-0.5A100-50mA50mA以下濾波電容4000u2000u1000u500u200u-500u200u表二、輸入交流電壓（有效值）負載開路時的輸出電壓帶負載時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、復式濾波器。把電容按在負載并聯支路，把電感或電阻接在串聯支路，可以組成復式濾波器，達到更