Объяснение схемы RC дифференциатора

Это схема базового RC-дифференциатора с формами входного / выходного напряжения.

1. Прежде всего, я не понимаю, почему происходит снижение выходного напряжения (разрядка заряда с конденсатора), пока питание все еще включено.
2. Во-вторых, я не понимаю, почему напряжение на резисторе падает до отрицательного уровня.

Я знаю, что это простой вопрос, но, пожалуйста, помогите мне понять эту основную схему - спасибо.

Короче говоря: для перехода вашего входного сигнала с низкого на высокий уровень ваш конденсатор не разряжается, он заряжается и остается заряженным до тех пор, пока не произойдет переход с высокого уровня на низкий.

Тем не менее, вот длинная история:

Мы берем свободу начинать с измененных позиций R и C; обратите внимание, что I _in  = I _C  = I _R , поэтому нам действительно разрешено это делать (KCL). Это изображение, которое вы обычно видите для конденсатора, заряжаемого через резистор, поэтому оно может стоить усилий:

Мы можем видеть, как C заряжается в соответствии с постоянной времени RC и в соответствии с величиной шага входного напряжения от 0 В до V _in . Кроме того , мы можем видеть , как остальное через резистор на верхней части конденсатора напряжение становится меньше , чем больше мы зарядка конденсатора: V _R  = V _в  - V _C . Это почти отвечает на ваш первый вопрос о снижении выходного напряжения уже; мы просто должны перевернуть эту конфигурацию вверх дном.

Вот снова ваша исходная схема, с некоторыми символами, которые нам понадобятся для объяснения, предположения, что у нас нет нагрузки, и уравнений, показывающих V _out   для C сверху и R снизу.

Мы можем представить, как верхняя пластина C остается на уровне V _in , нижняя пластина заряжается до 0 В, и, наконец, на резисторе не остается напряжения, между нижней пластиной и 0 В.

Это, наконец, отвечает на первую часть вашего вопроса (почему разряжается С?) - он не разряжается, он действительно заряжается; мы просто не смотрим на верхнюю пластину, а на нижнюю пластину, подключенную к резистору, постепенно вытягиваемую через R.

Теперь давайте вспомним, что выходное напряжение равно напряжению на резисторе. V _из  = V _R  = R × I _R , и снова, предполагая , что я _из  = 0 (пренебрежимо мало нагрузки), V _из  = R × I _C . Другими словами, выходное напряжение пропорционально току зарядки конденсатора, масштабируемому по значению резистора R.

Таким образом, низкий-высокий шаг входного сигнала создаст положительный скачок поперек R, как мы уже рассчитали. Когда мы обращаем все вспять, мы видим, как шаг от высокого к низкому уровню создает отрицательный скачок, потому что ток через C течет в направлении, противоположном направлению стрелки, которое мы использовали для I _C - что отвечает на вторую часть вашего вопроса ( «Почему мы получаем отрицательный скачок на выходе?»).

Если вам нравится (и я думаю, что это весело!), Вы можете нарисовать еще несколько картинок и рассчитать событие от высокого до низкого уровня для себя.

edit
Отрицательное напряжение немного неожиданно, если вы знаете, что нет отрицательного напряжения. Но это имеет смысл, когда мы смотрим на напряжение на конденсаторе. При первом включении питания напряжение на обеих сторонах конденсатора равно нулю. Мы запускаем прямоугольную волну, и на входе подается напряжение 5 В. Конденсаторы не хотят быстро менять напряжение на них. Вам нужно будет подать большой ток, чтобы быстро их зарядить. Но резистор не позволяет этого, поэтому изначально происходит то, что правая сторона конденсатора просто следует за входом; он также скачет до +5 В, а затем медленно заряжается через резистор. (Обратите внимание, что зарядка здесь означает уменьшение напряжения, так как напряжение на входе положительное.)

Когда вход обнуляется, происходит нечто подобное. Снова выход будет следовать за входом, потому что напряжение не будет меняться так быстро. Но на входе было 5 В, а на выходе 0 В. Поэтому, когда вход падает до нуля, и конденсатор будет поддерживать 5 В на нем, выход должен быть равен - 5 В.

Я добавил третью кривую к вашему рисунку. Верхний входной, средний выходной, а нижний - разница между ними, то есть напряжение на конденсаторе. Вы можете видеть, что он следует привычной схеме заряда-разряда, без быстрых изменений напряжения.
конец редактирования

Понижение напряжения (*) происходит из-за резистора. Он будет экспоненциально понижать выходное напряжение со скоростью, определяемой постоянной времени RC. Через 1 RC RC напряжение упадет до 37% (1 / e), а после 5 RC до 1% (практическое правило).

Вот еще один способ взглянуть на это:
отрицательные края вызваны высокой частотой краев. Ребро имеет широкий спектр, чем круче, тем шире спектр. В отличие от более низких частот, эти высокие частоты будут проходить через конденсатор практически без помех. Таким образом, если на входе отображается отрицательный фронт от 5 В до 0 В, у вас будет 5 В на выходе. Если в это время уровень будет близок к нулю, напряжение станет равным -5 В. Если постоянная времени RC будет выше, напряжение не уменьшится так сильно, и отрицательный импульс может перейти, например, от +2 В до -3. V.

(*) Я неправильно использовал здесь слово «разряд», что, как правильно заметил зебонавт , неверно. То, что вы делаете, заряжает конденсатор. На входе будет напряжение +5 В, так же как и на мгновение, поскольку на конденсаторе нет изменений. По мере уменьшения выходного напряжения напряжение на конденсаторе увеличивается , а это означает, что он заряжается , а не разряжается.

Первый шаг к пониманию этого, это понять природу «напряжения». Чтобы сделать это, вы должны понять ("грок") закон Ома.

Закон Ома говорит нам, что выходное напряжение, которое появляется на резисторе, определяется током через резистор. Когда входное напряжение впервые возрастает, ток течет через конденсатор и через резистор.

Затем конденсатор заряжается. Когда он заряжен, ток перестает течь через него. Он также перестает течь через резистор. Теперь напряжение на резисторе равно нулю.

Поймите это, и вы сможете решить все остальное.

Резистор и конденсатор соединены последовательно. Для того, чтобы понять, вы должны понять, как проходит ток через него. Очевидно, что для постоянного входа постоянного тока через некоторое время ток должен быть нулевым, поскольку конденсатор подобен разомкнутой цепи для возбуждения постоянного тока. Ток является наибольшим в тот момент, когда на RC-цепь подается входное напряжение, а затем он экспоненциально падает. Поскольку выход является продуктом постоянного сопротивления и экспоненциально падающего тока, это является причиной того, что выходное напряжение падает, пока входное напряжение все еще там.

Во-вторых, когда вы делаете внезапное изменение на входе, это изменение сразу же влияет на другую пластину конденсатора, так как вы не можете внезапно изменить напряжение на пластинах конденсатора (вам потребуется бесконечный ток для этого). Чем меньше резистор, тем RC цепь ближе к идеальному дифференциатору. Вы можете смоделировать это на

http://www.cirvirlab.com/simulation/r-c_circuit_differentiator_online.php

Первоначально оба размера конденсатора имеют одинаковое напряжение (vdiff = 0), не имеет значения, если vin (сторона A крышки) равна 0 или 5 В или что-то еще, vout (сторона B крышки) будет одинаковым. Поэтому, когда прямоугольная волна стреляет до 5v в момент времени 0, vout также стреляет до 5v. по прошествии времени крышка заряжается, поэтому сторона b крышки (или vout) становится 0v. Теперь VDIFF через шапку 5v. когда прямоугольная волна падает до 0v, так как vdiff на крышке должен поддерживать 5v, ЭТО заставляет vout (или сторону b крышки читать -5v. Так что ключ vdiff на крышке, понятно?