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與電容有關的幾個經典電路

冬至子 ? 來源:小楊同學愛學習 ? 作者:小楊同學 ? 2023-10-25 15:32 ? 次閱讀

1.微分電路

與數學中的微分運算類似, 微分電路的作用是對輸入信號進行一階求導,輸出信號的大小與輸入信號的變化率有關,反映的是信號中的突變部分。可以把矩形脈沖變換為尖脈沖輸出 ,常作為電路的觸發信號(LM331的頻率-電壓轉換就利用到了該原理)。

如圖1所示,為基本的RC微分電路。初始時,U 1 =U C =U 2 =0V。當t=t~1~時,輸入如圖2(a)所示的矩形脈沖,由于**電容****C** **兩端的電壓不能突變** ,所以輸入電壓的一瞬間U~C~仍然等于0 (在這一瞬間可以把U~1~看成交流電,而 **電容具有通交流、阻直流的作用** ,所以U ~C~ =0V)。由U ~1~ =U ~C ~ +U ~2~ ,可知此時U ~2~ =U ~1~ ,接著U~C~兩端的電壓會呈指數增長,所以,U~2~兩端電壓會呈指數下降。

當t=t2時,U 1 =0V(此時電容C已經充滿電),U C =A,電容會通過電阻R放電(電流方向為虛線),U 2 =-U C ,并呈指數減小。電壓的變化如圖2(b)和(c)所示。

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圖1 基本微分電路

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圖2 輸入信號與輸出信號的變化

當圖1中的電阻R=20kΩ,電容C=100pF時,輸入信號的幅值為5V,脈寬為50μs,U~C~和U~2~的電壓變化如圖3所示。

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圖3 微分電路仿真結果

需要注意的是微分電路中的時間常數τRC****的乘積)需要遠遠小于輸入信號的脈寬tp(一般τ<0.2tp)。τ****越小,電容的充放電速度越快,輸出脈沖就越尖,反之則越寬。

當圖1中的電阻R=20kΩ,電容C=2.5 nF時,仍輸入上述的脈沖信號,此時有τ=t ~p~ ,U~C~和U~2~的電壓變化如圖4所示,此時U~2~的輸出已經不再是尖脈沖了,也就失去了波形變換的意義了。

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圖4

1 上面的電路也常作為高通濾波器使用,關于濾波器的內容會在后面詳細介紹。

2 上述電路的輸出信號呈指數變化,線性度較差。 為了提高電路的線性度和帶載能力, 常用運算放大器和R、C組成微分電路,其基本形式如圖5所示。

由虛短和虛斷可知 ,此時有V N =0,i I =0,所以

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由V N -V O =iR,可知

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輸出電壓Vo正比于輸入電壓對時間的微分,負號表示相位相反。

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圖5 微分電路

當輸入的是正弦信號VI=sinωt時,輸出信號Vo=-RCωcosωt,表明輸出信號的幅值與輸入信號的頻率成正比。由于一般信號都會含有高頻諧波,輸出信號很有可能被噪聲完全淹沒,而且該電路容易出現自激振蕩,穩定性很差。所以該電路的實用價值不是很高,常用的是如圖6所示的改進微分電路。

當R 1 =R 2 =R,C 1 =C 2 =C,只有輸入信號滿足f<

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圖6 改進型微分電路

利用Multisim搭建如圖7(a)所示的仿真電路,當分別輸入1kHz的三角波、矩形波和正弦波時,輸出波形如圖7(b~d)所示。

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(a) 基本電路 (b)輸入為三角波

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(c) 輸入為方波 (d)輸入為正弦波

圖7 改進型微分電路的輸出與輸入波形

2.積分電路

將微分電路中的電阻和電容替換一下位置,就得到了如圖8(a)所示的積分電路。這個電路比較容易理解,就是利用電容兩端電壓不能突變的原理,當U 1 =A時,給電容C充電,U2逐漸增加;當U 1 =0時,電容C通過電阻R放電,U2逐漸降低,循環往復。積分電路可以用來 將矩形波變成鋸齒波輸出 ,成立的條件是**時間常數****RC>>tp** ,否則電壓C將會出現電壓飽和。

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圖8 (a) 積分電路 (b)輸入與輸出波形

3 上述電路也常作為低通濾波器使用,關于濾波器的內容會在后期詳細介紹。

4 由于上述電路中,電容C兩端的電壓是呈指數變化的,所以輸出電壓U2與輸入電壓U1的線性關系較差。為了 提高輸出電壓與輸入電壓的線性度 ,可以采用運算放大器和R、C組成積分電路,如圖9(a)所示。

同樣由虛短和虛斷可知,V N =0,i I =0,故有

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由電容的電壓變化關系可知

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所以

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輸出電壓Vo與輸入電壓VI的積分成線性關系,負號表示二者相位相反。利用Multisim得到的仿真結果如圖9(b)所示。

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圖9 (a)積分運算電路 (b)仿真結果圖

3.采樣電路

如圖10(a)所示,當開關S1(通常為MOS管)閉合時,電源Ui對電容C充電,UC增加,充電結束后,U o =U C =U i ,這個過程通常稱為 采樣階段 。當S1斷開后,由于電容C沒有放電回路,所以UC會保持不變,直到開關S1再次閉合,這個過程通常稱為 保持階段 ,輸入信號與輸出信號的變化如圖12(b)所示。其中**運算放大器A通常選用具有高輸入阻抗,和低輸出阻抗的器件,以盡量減少電容****C** 上的電荷泄漏,并提高電路的帶負載能力 ,這個電路在AD采集等場合應用較為廣泛。

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圖10 (a)采樣電路 (b)輸入與輸出波形

4.電荷泵

現實中“泵”的主要作用就是增大液體或者氣體的壓力,然后對外輸出。顧名思義,電荷泵的主要作用就是利用電荷來增大電路的壓力,也就是在輸出端產生比輸入端更大的電壓,在這里電容器主要起到了儲存電荷(儲能)的作用。基本原理如圖11所示,其中的開關S1~S4通常為MOS管(NMOS或者PMOS),工作過程主要分為兩個階段:

充電階段:S1和S4閉合,S2和S3打開,電源Ui給電容C1充電,充滿后有U C =V 1 -V 2 =U i

轉移階段:S2和S3閉合,S1和S4打開,V 2 =U i ,由于電容兩端電壓不能突變,因此V 1 =V 2 +U C =2U i ,實現了電壓的倍壓。

除此之外,還有負壓、1.5倍壓、三倍壓和倍壓等不同的電荷泵電路,但是基本原理都是一樣的,就是利用了電容兩端電壓不能突變的性質。

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圖11 電荷泵基本原理圖

電荷泵具有外接元件少,結構簡單,成本低,功耗低,效率高等特點,很適合在便攜式電子設備中使用(很多手機快充充電器都用到了電荷泵),但是在需要大功率和高電壓的地方就不太適合了(這個時候需要用到電感式DC/DC電路)。

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