简易滤波电路

段新文

（青海师范大学 物理系，青海 西宁  810008）

      摘  要：本文较为全面地分析了简单RC滤波电路、π型RC滤波电路的滤波特点，指出了此两种电路在设备小型化和直流损失等方面所遇到的困难和问题，提出了改进型电路——有源RC滤波电路。

      关键词：简单RC滤波电路    π型RC滤波电路    改进    有源滤波电路

      中图分类号：0453        文献标识码：A

1简单RC滤波电路

1.1 简单RC滤波电路的工作原理

    滤波电路是直流电源的重要组成部分，它一般是由电容等储能元件组成，用来滤除单向脉动电压中的谐波分量，从而得到比较平滑的直流电压。图1所示为桥式整流简单RC滤波电路。由图可以看出，滤波电容C并联于整流电路的输出端，即C与RL并联，整流电路的负载为容性。其工作原理为：设t=0时接通电源，当由零逐渐上升时，二极管D1、

        图1 桥式整流电容滤波的原理电路                     图2  工作波形

D3导通，D2、D4截止，电流方向如图中箭头所示。电流一路流过负载RL，一路向电容C充电，充电极性为上正、下负。由于电源内阻及二极管导通电阻均很小，即充电时间常数很小，所以充电进行的很快，C两端的电压随很快上升到峰值，即。当由峰值开始下降时，充电过程结束。由于电容C两端的电压＞，这时，只二极管均被反偏截止，电容C向负载RL放电，从而使通过负载RL的电流得以维持。放电时间常数RLC取值愈大，RL两端的电压下降愈缓慢，输出波形愈平滑，直到下一个半周到来，且＞时，D2、D4才正偏道通（D1、D3仍截止），放电过程结束，又开始给C充电。如此周而复始的充电、放电，在负载RL上便得到如图2所示的输出电压。

1.2 简单RC滤波电路的外特性和脉动特性

电容滤波的外特性是指与的关系，脉动特性是指S与的关系。简单RC滤波电路的外特性和脉动特性如图3所示。由图中可以看出和S都是随的变化而变化，且随

                         图3 简单RC滤波电路的外特性和脉动特性

着放电时间常数的减小（即电流的增加），电容滤波的外特性和脉动特性都会迅速变差。换言之，为减小脉动系数、改善外特性，就必须增大放电时间常数，或者说要选用大容量的电容，而选择大容量的电容会使整个电路的体积和重量增加，这既不实用，亦不利于设备的小型化。

2   π型RC滤波电路

为了提高滤波效果，在电容C之后，我们再增加一节RC低通电路。这样组成的滤波电路称之谓π型RC滤波电路，如图4所示。经过C1滤波后的电压包含直流分量和交流分量，假设交流分量主要用基波分量最大值表示，则可求得输出电压的直流分量和交流分量分别为：

              （1）

   （2）

                                                               图4 π型RC滤波电路                                                       

式中R′= R∥RL ,ω为整流输出电压基波的角频率，由（2）式知，为了得到较好的滤波效果，应取« R′，此时，式（2）可以简化为

                                              （3）

由（1）式和（3）式可以看出，和简单的电容滤波电路相比较，π型RC滤波电路虽然直流分量衰减了，但交流分量衰减更大。在ω不变的情况下，C2和R′(R∥RL)愈大，则滤波效果愈好。为了使R′值大，要求R和RL都应大，但R增大会使输出直流电压减小，C2的增大又增大了体积和重量。可见π型RC滤波电路虽然可以减小纹波系数，但因R上有直流压降，外特性并没有得到改善。

3   有源RC滤波电路

综上所述，无论是简单RC滤波电路还是π型RC滤波电路，都存在着增大RC以提高滤波效果与RC增大又不利于小型化、成本增加以及直流损失增大（π型RC滤波电路）的矛盾。为了解决这一矛盾，在π型RC滤波电路中增设了有源器件晶体管，组成了RC有源滤波电路。如图5所示。由图可见，有源RC滤波电路把RC2滤波电路接于晶体管的基极回路，R同时兼作晶体管的偏置电阻；负载电阻RL接在晶体管的射极回路，这样，便把原来通过负载RL的电流IO =IE减小为，再在基极回路加以滤波。由于流过R的电流IR =IB，比输出电流IO小（1+β）倍，所以R的值可以取得较大而与C2配合便可获得很好的滤波效果。如此便可使得基极回路电压（即C2两         图5 有源滤波电路

端电压）纹波成分大为减小，射极输出电压（即负载RL上的电压）中的纹波分量亦大为减小（射极跟随作用）。

另外，从负载RL两端来看将基极回路中的滤波元件RC2折合到射极回路中，相当于R减小了（1+β）倍，而C2增大了（1+β）倍。因此，采用有源滤波电路后，由于晶体管的电流放大作用，要达到同样的滤波效果，可以选用较大的电阻和较小的电容来实现，从而避免了电阻上直流损失大和电容体积大的缺点，有效解决了简单RC滤波电路和π型RC滤波电路所遇到的困难和问题。这种滤波电路可广泛应用于小型电子设备中。

参考文献：

［1］鬲淑芳，段新文.模拟电子技术基础［M］.西安：陕西师范大学出版社出版，2000.

［2］杨素行.模拟电子电路［M］.北京：广播电视大学出版社出版，1994.

［3］王至正，朱汉荣，肖福坤，等.电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社出版，1994.

［4］梁明理，周建平，邓仁清，等.电子线路［M］.北京：高等教育出版社出版，1995.

［5］鬲淑芳，段新文.电子技术基础解题指导［M］.西安：陕西师范大学出版社出版，2000.

RC Filter Circuit and Its Amelioration —— Active Filter Circuit

Duan Xin-wen

(Department of Physics ,Qinghai Normal University, Xining 810008, China)

    Abstract: The author of the article thoroughly analyzed the characteristics of the simple RC filter circuit and π-type RC filter circuit and pointed out the difficulties and problems these two circuits meet in equipment miniaturization and direct current loss. In addition, the author put forward an ameliorative circuit —— active RC filter circuit.

    Key words: simple RC filter circuit ; π-type RC filter circuit ; amelioration ; active filter circuit

   作者简介：段新文（1963 -），男（汉族），山东省单县人，青海师范大学物理系电子学副教授