get_product_contenthtml
第1章 活用RC基本特性的电路实验
由电阻(R)和电容(C)构成的RC电路是电子电路中使用*多的电路。首先，研究简单的RC电路的特性，针对在CMOS数字电路中的应用进行实验。
1 RC低通滤波器的响应特性
图1.1是各使用一个电阻、一个电容的RC电路。这种电路从频率轴来看，可作为1次低通滤波器处理。所谓低通滤波器是指低频率时通过、高频率时截止，能除去噪声等不需要的高频率的滤波器。
图1.1 RC电路的频率增益/相位特性
使用比RC常数所决定的频率fc（称截止频率）低的输入频率时，信号的衰减小；相反地，高频时，因电容C的阻抗(1/w C)与电阻R相比变小，故衰减将变大，并与频率成反比。
一般将低通滤波器上增益为处的频率称为截止频率，表示为：
超过截止频率fc的高频域的衰减特性，是以- 6dB/oct（频率为2倍时衰减6dB）或-20dB/dec（频率为10倍时衰减20dB，变为1/10）特性的倾率使增益下降。
另外，输入输出问的相位特性也与输入频率f有关。随着频率f的上升，相位延迟角变大，在截止频率fc处，变为如下关系：
高频处可接近-90°。
照片1.1是为研究R =10kΩ、C=1000pF（fc=15. 92kHz）的增益/相位特性，用增益相位分析器测定出来的结果。照片上fc处放人的标识点( )与理论值不同，增益为-3.49 dB（正确值-3.0 dB）、相位为-46.8°（正确值-45°），这是因为分析器的输入阻抗及RC的值存在误差的原因。
照片1.1 RC电路实际的频率增益/相位特性（ 表示截止频率）
(f=100Hz～1MHz，6dB/div.，20°/div．，R=10kΩ，C=1000pF)
从时间轴来看的RC滤波器电路如图1.2所示，阶跃响应特性的滤波器电路被广泛地使用。因其通过电阻对电容进行充放电，故也称为RC充放电电路。这种电路对应阶跃输入的响应用下式表示：
图1.2 RC电路阶跃响应特性（T=RC称为时间常数）
输出电压V0随着时间上升，但并不是直线上升。到达某输出电压V0时所需要的时间t可由推导出：
一般地，时间常数T（=RC）是到达输入电压V1的63.2%时的时间。
照片1.2是R=10kΩ、C=1000pF、V1=5V时的阶跃响应，在V0=3V处放入光标。这里的V0=3V表示后述的HS-CMOS逻辑电路(74HC14AP)的高电平阈值，T=RC=10×103×1000×10-12=10μs为*接近的时间点。
照片1.2 RC电路实际的阶跃响应
(CH1为5V/div. ，CH2为1V/div.，5μs/div.，R=10kΩ，C= 1000pF)
2 高速化RC低通滤波器的上升响应
在RC低通滤波器中，有时只需加快对应阶跃响应上升变化的响应。截止频率低，上升时的阶跃响应快。如果只从阶跃响应来看，时间常数T=RC小是好的，但这样会使从频率轴上看的截止频率变高。
例如，作为需要钻研的RC滤波器的例子，有PLL电路用的环形滤波器等。图1.3表示在实际PLL电路中使用环形滤波器的例子，由此电路可看出要改善响应特性的困难。
图1.3 PLL电路中使用环形滤波器的一例
图1.4是为高速化单纯的RC低通滤波器，附加两个二极管D1、D2和电阻Rs的电路。这一电路当V0<V1，即电容C充电时，D1和D2处于导通状态，电阻Rs和R等价于并联连接，因此当电压偏差大时，将会产生高速响应。
图1.4 高速化RC电路阶跃响应
T=C(R∥Rs) ∥是并联的标志
另一方面，当V1中所含有的噪声在二极管的顺方向电压(±VF)以下时，二极管处于关断状态，这样就会以T=RC的低截止频率进行动作。
因此，如图1.3所示的PLL电路等，具有定常状态时，低通滤波器的时问常数大、S/N高；而频率急变时，响应速度快的好性能。
照片1.3是单纯的RC电路的阶跃响应，V0≈V1时的时间约10ms，是T=RC=1ms的10倍以上。
照片1.4是像图1.4那样，高速化电路后的阶跃响应。上升部分响应极快，但接近V0=5V时响应变慢。
照片1.3 RC电路(R=10kΩ，C=0.1μF)的阶跃响应
(CH1为5V/div.，CH2为1V/div. ，25ms/div.)
照片1.4 高速化罔1.4电路的阶跃响应(R =10kΩ，Rs=1kΩ，C=0. 1μF，CH1为5V/div. ，CH2为1V/div. ，2.5ms/div.)
3 用RC低通滤波器防止振荡
RC低通滤波器的代表应用之一，是防止机械升关、机械触点的振荡。机械触点的振荡（触点ON时产生大的振动）被开关的构造左右，首先我们实测一下微型开关的振荡。
照片1.5是称为限位开关的微型开关的振荡波形图。机械触点的开关由于按压方法、时问不同会发生各种各样的振荡，此时的时间、波形也各种各样，这里表示了*长时间的振荡的例子。
照片1. 5 微型开关触点ON时的振荡示例
具有机械触点的开关有很多种，照片1.6表示的是具有代表性的。电磁继电器也具有机械触点，也会产生大大小小的振荡。
数字电路是不希望振荡的。使用触发电路原理上也是防止振荡影响的电路，简单的防止对策就是组合RC低通滤波器和施密特触发电路。
通常CMOS数字IC的阈值电压（区别L和H的电压电平）VT只是一点，图1.5表示具有施密特触发电路的反相电路、74HC14的阈值电压。施密特触发电路具有高电平阈值VP和低电平阈值VN，阈值问具有磁滞电压VH，VH为VP-VN。即VP以上、VN以下的输入电平可被确定逻辑输出；磁滞电压VH以下时，即使有噪声，输出电平也不变化。因此，具有施密特输入的数字IC电路，即使加上变化缓慢的信号，因噪声等引起输出电平翻转的危险也会变少。在数字电路的输入电路中插入RC低通滤波器，可去掉输入信号中含有的噪声，整形输出波形。
照片1.6 机械开关产生振荡
