(一) 隔直電容分析

阿呆在不少電路中都看到過有使用隔直電容,例如在音頻輸入輸出端一般都會加上隔直電容,例如在交流小信號放大器前後級耦合,也會使用到隔直電容,那麼,到底什麼是隔直電容呢?其原理是什麼呢?該如何具體分析呢?

圖1

 

 圖2

    對於隔直電容的理解,阿呆僅限於隔直通交,具體的原理呢,不是很清楚,大概原因就是電容兩端電壓不能突變吧。帶着這些問題,阿呆查閱了隔直電容相關的資料,總結了一下自己的理解。

阿呆在此之前,在Multisim中畫了這樣一個電路,希望對隔直電容有一個直觀的認識,電路圖如下所示:

圖3

信號源輸出信號幅度爲:1V

輸出信號頻率分別選取:0.2Hz,10Hz,20Hz

問題出現了,從示波器上觀察,如下圖所示,對於所有頻率信號電容兩端的電壓是同步等電壓的,這是爲什麼呢?隔直電容作用失效了!

圖4

圖5

圖6

    要解釋這個問題就要從電容入手了,首先,電容兩端電壓爲什麼不能突變,這個問題還是值得探討一下的:

 

圖7

    電容兩端的電壓差Uab取決於極板上所存儲的電荷量:Uab=Q/C,對於特定的電容,C是固定量,所以只要Q不發生變化,那麼電容兩端電壓必然不會變化,電壓的變化,必然是Q變化的結果,也就是說沒有電荷轉移,就沒有Q的改變,也就沒有Uab的改變。(其實,這也一定程度上解釋了交流電路中,電容電壓滯後於電流的原因)

    然後,我們回到本文最初的Multisim仿真,由於電容兩端是開路的,無法形成電流回路,那麼必然不會產生電荷轉移,那麼電容兩端的電壓也就不會改變了,那麼單端電壓被動變化後,另一端就會跟隨着無差別變化了,因此出現了困惑阿呆的仿真結果。

    最初的問題解釋清楚了,但是電容隔直通交的作用在這裏失效了嗎?對於基本接近直流的0.2Hz信號,也能通過?這個隔直電容和可通過交流信號頻率的關係是怎麼樣的呢?

    且聽這位大俠的解釋:“所謂隔直電路的本質是截止頻率比較低的一階RC高通濾波器”(源自網絡,請自行搜索)

    聽完這句話,有種恍然大明白的感覺,原來隔直的不只是電容的功勞,而是RC高通濾波器,還有一個默默無聞的電阻呢!

    回到第一個問題,把電路做一下修改:

圖8

    且看仿真結果:

圖9

    可以看到,當信號頻率爲5Hz時,輸出信號有了明顯的衰減。另外,隔直電容的定量分析也就迎刃而解了:高通濾波器的截止頻率爲ƒ=1/(2*pi*RC)。根據此關係和具體信號頻率就可以確定具體選取的電容容量值了。

    然後我們再回到第一個問題,不同於電荷轉移的解釋,還有另外一種解釋方法(參考博客,百度:瘋狂的胖布丁):

    由圖8所示根據高通濾波器特性,可以得到Point2輸出電壓:Ui(s)*RCs/(1+RCs),然後再令R趨於無窮大就可以得到圖4、5、6的電容輸出電壓了。因爲當R趨於無窮大時,截止頻率ƒ=1/(2*pi*RC)趨近於零,任何信號無阻礙通過。

OK,隔直電容解釋清楚了吧。

阿呆的理解還算清楚吧?

還有問題嗎?

沒有了?

好,各回各家,各找各媽。

~~~~~~

等等~

阿呆這裏還有一個電路,且看:

圖10

    該電路中的隔直電容沒有配電阻啊?經典設計,肯定不會錯的啊,剛纔的解釋完全無用嘛!

    不要着急,解釋肯定是不會錯的,那麼電阻從何而來呢,這就是來自負載的輸入阻抗了,隔直電容結合負載的輸入阻抗,組成完整的RC高通濾波器,信號通過電容,加到負載上。定量分析依然利用上面所述,這也就引出了所謂的阻抗匹配問題,具體的不在本文論述。

 

總結一下:

1.隔直電容不是獨立存在的,而是和R構成一階RC高通濾波器,共同完成隔直通交的功能

2.隔直電容的容值選取根據ƒ=1/(2*pi*RC)確定。


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