1.6.5 Дослідження диференціюючих rc-схем

Схему, подану на рис.1.12 , називають диференціюючою, тому що за певних умов напруга на її виході пропорційна похідній напрузі на вході, що забезпечується процесом зарядження конденсатора.

1.6.5.1 Перехідна характеристика диференціюючих схем

Така характеристика використовується при аналізі пристроїв в часовій області. При цьому досліджуються процеси заряду та розряду конденсатора. Як тестовий використовують східчастий стрибок напруги (рис.1.16 а).

При вмиканні конденсатора до джерела з напругою U_вх напруга на ньому (заряд конденсатора) змінюється за експонентою:

U_c = U_вх(1- е ) .

Напруга на виході:

U_вих = U_вх – U_c; = U_вх е .

У початковий момент (t = 0) напруга на конденсаторі дорівнює нулю, а напруга на виході стрибком досягає максимального значення, яке дорівнює амплітуді вхідного сигналу (рис.1.16 в).

Починається зарядження конденсатора зi сталою часу  = RC. Напруга U_c зростає, а U_вих падає. Через час t =  напруга на виході дорівнюватиме:U_вих = U_вх е ,тобто зменшиться в “е” разів та досягне рівня: U_вих = 0,37U_вх. При цьому напруга на конденсаторі U_c = U_вх –U_вих; U_с = 0,63U_вх.

Через час t = 2 напруга на виході зменшиться до рівня:

U_вих = U_вх e^-2/ = U_вх e^-2 = 0,13 U_вх, a Uc = 0,87 U_вх.

Ч ерез час t = 3 перехідні процеси практично закінчуються. Так формується перехідна характеристика ДС(рис.1.16,в). Тривалість перехідних процесів визначають як час зміни напруги U_вих від 0,05 до 0,95, що відбувається приблизно за 3. Цю величину необхідно запам`ятати.

Форма сигналу на виході ДС та ступінь його спотворення визначаються співвідношенням t_і/ і може суттєво відрізнятися за формою від вхідного. Якщо на вхід поступає прямокутний імпульс на виході одержимо 100% спад вершини. Такі спотворення мають місце, коли тривалість імпульсу значно перевищує сталу часу (t >> ).

Процес диференціювання використовують в імпульсних пристоях для формування коротких імпульсів. .Розглянуті RC-кола використовують і у лінійних схемах, зокрема у підсилювачах. Треба зауважити, що в цьому випадку вимоги до величини  зовсім інші. Необхідно, щоб інформаційний сигнал при підсиленні зберігав на виході форму вхідного сигналу, тобто якомога ближче відтворював форму вхідного сигналу. Це можливо коли за час дії імпульсу (t_і) заряд конденсатора суттєво не зміниться, що відбувається за умови t_і << . У даному випадку конденсатор використовують як елемент міжкаскадного зв`язку, що відокремлює електричні кола за постійним струмом, але передає змінні складові, що не обумовлює спотворень інформаційних сигналів (наприклад, в підсилювачах з резистивно-ємнісним зв`язком - в RC-підсилювачах). В таких пристроях ДС вхідними колами, стала часу яких визначається ємністю відокремлюючого конденсатора та вхідним опором підсилювача.

При проектуванні та налагодженні електронних пристроїв з такими конденсаторами (при наявності ДС) виникає задача забезпечення допустимого заряду конденсатора за , тобто допустимого спаду вершини імпульсу ΔU. Зазвичай допустимим вважається 10%-й спад вершини імпульсу (якщо спеціально не підкреслено в технічному завдані), тобто коли ΔU = 0.1 U макс, де U макс – максимальне значення амплітуди вихідного сигналу.

Пропоную самостійно за допомогою моделювання ДС в середовищі MS набути навичок експериментального налагодження схем з метою визначення необхідної величини  для передачі імпульсу заданої тривалості з указаним вище спадом.

Моделювання в середовищі MS дозволяє експериментально визначити ступінь спотворення імпульсів, а також опанувати методикою визначення тривалості імпульсів, за якої конкретна схема забезпечить допустимі зміни форми ЕІС (вправи 1.