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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(duì)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(hào)的一種傳輸電路，根據(jù)需要的不同，在電路中實(shí)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(shí)現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換、產(chǎn)生等功能。所以，看起來非常簡(jiǎn)單的 RC電路，在電子電路中隨處可見，有必要對(duì)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(jí)放大器級(jí)間耦合方式的基本形式. 如下圖 2所示為兩級(jí)放大器, 第一級(jí)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(jí)上的，其中C = C2, R 為 R5 與 rbe2 + ( 1+β) R6 的并聯(lián), Ui就是第一級(jí)的空載輸出電壓, Uo就是第二級(jí)的輸入電壓. 實(shí)際上整個(gè)放大器的輸入耦合電路、輸出耦合電路都是一個(gè)輸出電壓取自于電阻的如圖3所示的 RC耦合電路. 對(duì)這種耦合電路輸出電壓可表示為:

當(dāng)傳輸信號(hào)的頻率很高時(shí),即:f＞fL時(shí):Uo=Ui,即第二級(jí)得到的輸入電壓等于第一級(jí)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?hào)無衰減地、且無相移地由上級(jí)耦合到下級(jí).

當(dāng)被傳輸信號(hào)的頻率降低到f=fL時(shí):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(hào)順利地耦合下去,完全由被傳送信號(hào)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(shí)間τ=RC遠(yuǎn)大于被傳送信號(hào)的周期T,即被傳輸信號(hào)的頻率遠(yuǎn)大于由電路參數(shù)決定的下界頻率時(shí),這種RC耦合電路中的電容相當(dāng)于通路.

圖2 兩級(jí)放大電路

圖3 RC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(dá)90度,但此時(shí)輸出電壓的幅值也趨近于0.一般在電路中,使之信號(hào)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)某一頻率的信號(hào)進(jìn)行一定角度的相位移動(dòng).圖4是一個(gè)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(duì)某一頻率的信號(hào)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(duì)這一頻率的信號(hào)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(hào)順利通過,而對(duì)無用頻率信號(hào)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(gè)RC電路,當(dāng)輸出電壓取自于電阻時(shí),它就是一個(gè)高通濾波器;

當(dāng)輸出電壓取自于電容時(shí),它就是一個(gè)低通濾波器.為了隔斷負(fù)載對(duì)RC電路的影響,常將RC電路和集成運(yùn)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4 RC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(gè)問題討論的是不同頻率的正弦信號(hào)通過RC電路時(shí),電路所反映出的性質(zhì).當(dāng)電路中信號(hào)電壓發(fā)生階躍變化時(shí),由于電容的充放電的性質(zhì),使之被傳輸?shù)男盘?hào)發(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(shí),且RC電路的充放電時(shí)間常數(shù)τ=RC＜TK(脈沖寬度)時(shí),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(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于脈沖寬度,脈沖上升沿來到時(shí),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(gè)與上升沿相對(duì)應(yīng)的正的尖脈沖.

當(dāng)脈沖下降沿來到時(shí),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(gè)與下降沿對(duì)應(yīng)的負(fù)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(fù)載的影響,RC電路跟運(yùn)放組合接成如圖7所示的形式,由于運(yùn)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(yùn)放在此起隔離和緩沖作用.

圖7 由運(yùn)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(shí)常數(shù)τ=RC＞TK(脈沖寬度)時(shí),能將輸入的矩形脈沖變成幅度隨時(shí)間線性變化的鋸齒波.由于RC電路的充放電時(shí)間常數(shù)τ遠(yuǎn)大于脈沖寬度TK,脈沖上升沿來到時(shí),電容通過電阻R充電,遠(yuǎn)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(yuǎn)沒有放完,又在上升沿作用下充電,由此在電容上得到隨時(shí)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?yàn)棣樱綯K在輸入矩形脈沖的持續(xù)時(shí)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(fù)載的影響,同樣跟運(yùn)放組合接成如圖9形式的電路.運(yùn)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(yùn)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(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于脈沖寬度.積分電路中輸出電壓取之于電容,其時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于脈沖寬度.

圖9 由運(yùn)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(shí)其兩端電壓的變化情況,在電路中起延時(shí)開關(guān)作用,在波形產(chǎn)生電路中和定時(shí)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(gè)分壓電路，電路中的傳輸信號(hào)、電路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)的躍信號(hào)都可作為RC 電路的輸入電壓，根據(jù)需要的不同從電阻R或電容C取出輸出電壓，并根據(jù)電容C的充放電性質(zhì)，巧妙地選取電路參數(shù)和電路結(jié)構(gòu)，使RC電路成為電路中信號(hào)傳輸?shù)臉蛄?，波形變換的轉(zhuǎn)換器，選取有用信號(hào)的濾波器或選頻網(wǎng)絡(luò)。

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