RC、滤波电路

RC、滤波电路 ------------------------------------------------------------------------------------------------ RC、滤波电路 RC电路的应用 RC电路在模拟电路、脉冲数字电路中得到广泛的应用，由于电 路的形式以及信号源和R，C元件参数的不同，因而组成了RC电路的各种应用形式:微分电路 、积分电路、耦合电路、滤波电路及脉冲分压器。关键词:RC电路。微分、积分电路。耦合电路。在模拟及脉冲数字电路中，常常用到由电阻R和电容C组成的RC电路，在些电路中， 电阻R和电容C的取值不同、输入和输出关系以及处理的波形之间的关系，产生了RC电路的 不同应用，下面分别谈谈微分电路、积分电路、耦合电路、脉冲分压器以及滤波电路。 1. RC微分电路 如图1所示，电阻R和电容C串联后接入输入信号VI，由电阻R输出信号VO，当R C 数值与输入方波宽度tW之间满足:RC<<tW，这种电路就称为微分电路。在 R两端(输出端)得到正、负相间的尖脉冲，而且发生在方波的上升沿和下降沿，如图2 所示。 在t=t1时，VI由0?Vm，因电容上电压不能突变(来不及充电，相当于短 路，VC,0)，输入电压VI全降在电阻R上，即VO,VR,VI,V m 。随后(t>t1)，电容C的电压按指数规律快速充电上升， 输出电压随之 按指数规 律下降(因VO,VI,VC,Vm,VC)，经过大约3τ(τ—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ,R × C)时，VCVm，VO0，τ(RC)的值愈小，此过程愈快，输出正 脉冲愈窄。 t=t2时，VI由Vm?0,相当于输入端被短路，电容原先充有左正右负的电压V m开始按指数规律经电阻R放电，刚开始，电容C来不及放电，它的左端(正电)接地 ，所以VO,,Vm，之后VO随电容的放电也按指数规律减小，同样经过大 约3τ后，放电完毕，输出一个负脉冲。 只要脉冲宽度tW>(5~10)τ，在tW时间内，电容C已完成充电或放电(约需3 τ)，输出端就能输出正负尖脉冲，才能成为微分电路，因而电路的充放电时间常数τ必须 满足:τ,(1/5~1/10)tW，这是微分电路的必要条件。 由于输出波形VO与输入波形VI之间恰好符合微分运算的结果,VO=RC( dVI/dt),，即输出波形是取输入波形的变化部分。如果将VI按傅里叶级展开 ，进行微分运算的结果，也将是VO的达式。它主要用于对复杂 波形的分离和分频器 ，如从电视信号的复合同步脉冲分离出行同步脉冲和时钟的倍频应用。 2. RC耦合电路 图1中，如果电路时间常数τ(RC)>>tW，它将变成一个RC耦合电路。输 出波形与输入波形一样。如图3所示。 (1)在t=t1时，第一个方波到来，VI由0?Vm，因电容电压不能突变(VC=0)， —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ V =VR=VI=Vm。 (2)t1<t<t2时，因τ>>tW，电容C缓慢充电，VC缓慢上升为左正右负，V O=VR=VI,VC，VO缓慢下降。 (3)t=t2时，VO由Vm?0，相当于输入端被短路，此时，VC已充有左 正右负电压Δ,Δ=(VI/τ)×tW,，经电阻R非常缓慢地放电。 (4)t=t3时，因电容还来不及放完电，积累了一定电荷，第二个方波到来，电阻上的电 压就不是Vm，而是VR=Vm-VC(VC?0)，这样第二个输出 方波比第一个输出方 波略微往下平移，第三个输出方波比第二个输出方波又略微往下平移，?，最后，当输出波 形的正半周“面积”与负半周“面积”相等时，就达到了稳定状态。也就是电容在一个周期 内充得的电荷与放掉的电荷相等时，输出波形就稳定不再平移，电容上的平均电压等于输入 信号中电压的直流分量(利用C的隔直作用)，把输入信号往下平移这个直流分量，便得到 输出波形，起到传送输入信号的交流成分，因此是一个耦合O 电路。 以上的微分电路与耦合电路，在电路形式上是一样的，关键是tW与τ的关系，下面比 较一下τ与方波周期T(T>tW)不同时的结果，如图4所示。在这三种情形中，由于电 容C的隔直作用，输出波形都是一个周期内正、负“面积”相等，即其平均值为0，不再含有 直流成份。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ?当τ>>T时，电容C的充放电非常缓慢，其输出波形近似理想方波，是理想耦合电路。 ?当τ=T时，电容C有一定的充放电，其输出波形的平顶部分有一定的下降或上升，不是 理想方波。 ?当τ<<T时，电容C在极短时间内(tW)已充放电完毕，因而输出波形为上下尖脉 冲，是微分电路。 3. RC积分电路 如图5所示，电阻R和电容C串联接入输入信号VI，由电容C输出信号V0，当R C (τ)数值与输入方波宽度tW之间满足:τ>>tW，这种电路称为积分电路。在 电容C两端(输出端)得到锯齿波电压，如图6所示。 (3)t=t2时，VI由Vm?0，相当于输入端被短路，电容原先充有左正右负电 压VI(VI<Vm)经R缓慢放电，VO(VC)按指数规律下降。 这样，输出信号就是锯齿波，近似为三角形波，τ>>tW是本电路必要条件，因为它是 在方波到来期间，电容只是缓慢充电，V 方波就消失，电容 开始C还未上升到Vm时， 放电，以免电容电压出现一个稳定电压值，而且τ越大，锯齿波越接近三角波。输出波 形是对输入波形积分运算的结果 ， —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 它是突出输入信号的直流及缓变分量，降低输入信号的变化量。 4. RC滤波电路(无源) 在模拟电路，由RC组成的无源滤波电路中，根据电容的接法及大小主要可分为低通滤波 电路(如图7)和高通滤波电路(如图8)。 (1)在图7的低通滤波电路中，它跟积分电路有些相似(电容C都是并在输出端)，但 它们是应 用在不同的电路功能上，积分电路主要是利用电容C充电时的积分作用，在输入方波情形下 ，来产生周期性的锯齿 波(三角波)，因此电容C及电阻R是根据方波的tW来选取，而 低通滤波电路，是将较高频率的信号旁路掉(因XC=1/(2πfC)，f较大时，XC较 小，相当于短路)，因而电容C的值是参照低频点的数值来确定，对于电源的滤波电路，理 论上C值愈大愈好。 (2)图8的高通滤波电路与微分电路或耦合电路形式相同。在脉冲数字电路中，因RC与脉 宽tW的关系不同而区分为微分电路和耦合电路;在模拟电路，选择恰当的电容C值， 就可以有选择性地让较高频的信号通过，而阻断直流及低频信号，如高音喇叭串接的电容， 就是阻止中低音进入高音喇叭，以免烧坏。另一方面，在多级交流放大电路中，它也是一种 耦合电路。 5. RC脉冲分压器 当需要将脉冲信号经电阻分压传到下一级时，由于电路中存在各种形式的电容，如寄生电容 ，它相当于在负载侧接有一负载电容(如图9)，当输入一脉冲信号时，因电容CL的 充电，电压不能突变，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 使输出 波形前沿变坏，失真。为此，可在R1两端并接一加速电容 C1，这样组成一个RC脉冲分压器(如图10)。 (1)t=0+时，电容视为短路，C1，CL，VO由C1和CL分压得到: 只流经电流 但是，任何信号源都有一定的内阻，以及一些电路的需要，通常采取过补偿的办法，如电视 信号中，为突出传送图像的轮廓，采用勾边电路，就是通过加大C1的取值。 滤波电路 交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小(电流强度)还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务， 就是把整流器输出电压中的波动成分尽可 能地减小，改造成接近恒稳的直流电。 一、电容滤波 电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中;当外加电压失去(或降低)之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压;放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量 越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。 图5-9是最简单的电容滤波电路，电容器与负载电阻并联，接在整流器后面，下面以图5-9(a)所示半波整施情况说明电容滤波的工作过程。在二极管导通期间，e2向负载电阻Rfz提供电流的同时，向电容器C充 电，一直充到最大值。e2达到最大值以后逐渐下降;而电容器两端电压不能突然变化，仍然保持较高电压。这时，D受反向电压，不能导通，于是Uc便通过负载电阻Rfz放电。由于C和Rfz较大，放电速度很慢，在e2下降期间里，电容器C上的电压降得不多。当e2下一个周期来到并升高到大于Uc时，又再次对电容器充电。如此重复，电容器C两端(即负载电阻Rfz:两端)便保持了一个较平稳的电压，在波形图上呈现出比较平滑的波形。图5-10(a)(b)中分别示出半波整流和全波整流时电容滤波前后的输出波形。 显然，电容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。通常应根据负载电用和输出电说的大小选择最佳电容量。表5-2中所列滤波电容器容量和输出电流的关系，可供参考。电容器的耐压值一般取的1(5 倍。 表5-3中列出带有滤波器的整流电路中各电压的关系。 表一、 表二、 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 采用电容滤波的整流电路，输出电压随时出电流变化较大，这对于变化负载(如乙类推挽电路)来说是很不利的。 二、电感滤波 利用电感对交流阻抗大而对直流用抗小的特点，可以用带铁芯的线圈做成滤波器。电磁滤波输出电压较低，相输出电压波动小，随负载变化也很小，适用于负载电流较大的场合。 三、复式滤波器。 把电容按在负载并联支路，把电感或电阻接在串联支路，可以组成复式滤波器，达到更佳的滤波效果口这种电路的形状很象字母π，所以又叫π型滤波器。 图5,12所示是由电磁与电容组成的LC滤波器，其滤波效能很高，几乎没有直流 电压损失，适用于负载电流较大、纹波很小的场合。但是，这种滤波器由于电感体积和重量大(高频时可减小)，比较笨重，成本也较高，一般情况下使用得不多。 由电阻与电容组成的RC滤波器示于图5,13中。这种复式滤波器结构简单，能兼起降压、限流作用，滤波效能也较 ——————————————————————————————————————