原创 从电容的充放电特性曲线理解电容的阻低频通高频特性

从电容的充放电特性曲线理解电容的阻低频通高频特性

电容为什么具有阻低频通高频的能力，RC 高通滤波器和 RC 低通滤波器的工作原理是什么。

很多书都会从电容的容抗进行讲解，Xc = 1/(2πfC) ，信号频率越高，电容容抗越小，电容两端电压就越小，信号频率越低，电容容抗越大，电容两端电压就越大。比如图 1 所示的 RC 低通滤波器电路，这个电路可以看做一个分压电路，输出电压为电容上的分压。

图1  RC 低通滤波器

电容 C 的容抗与输入信号的频率有关。当输入信号频率高时，电容 C 的容抗小，电容 C 分到的电压也就很小，输出信号 Vout 幅度很小，相当于 Vin 被衰减了，输出信号的幅度被减小了。当输入信号频率低时，电容 C 的容抗很大，电容 C 分到的电压也就大，输出信号 Vout 大，输入信号 Vin 相当于没有被衰减，信号顺利通过。

这样可以解释电容的阻低频通高频特性，但是这是从数学上去解释的。电容的容抗是什么，为什么它会跟信号的频率有关， 式子 Xc = 1/(2πfC) 又是怎么来的。上面的解释是通过数学式子去理解电容的阻低频通高频特性，没什么问题，但总感觉缺点什么。

下面讲述一种以更贴近电容本质，从感性上认识和理解电容阻低频通高频特性的方法。

我想从电容的充放电曲线来理解电容阻低频通高频的特性，因为电容的充放电曲线是实际测量出来的，非常地直观。图 2 和图 3 是典型的电容充放电曲线。

     图2 电容充电曲线        

     图3 电容放电曲线

对于图 1 的 RC 电路（为了问题简化，忽略时间常数），当输入信号的周期远大于电容的充放电时间（即低频信号），电容有足够的时间进行充电和放电（电容两端的电压可以充到与输入信号 Vin 的电压相等，放电时也可以完全放完，电容两端的电压为零）。输入信号 Vin 输出信号 Vout 变化曲线如图 4 所示。

图4 低频信号输入与输出变化曲线

从图中可以看出，输出信号的幅度并没有衰减，信号从输入端被完整地传输到了输出端。

而当输入信号的周期远小于电容的充放电时间时（即高频信号），电容没有足够的时间进行充放电，只是在输入信号的高电平期间刚刚充了一点点电，输入信号就跳变为低电平，此时电容就要开始放电。这种情况下，输入信号与输出信号如图 6 所示。

图6 高频信号输入与输出变化曲线

从图中可以看出，输出信号相比于输入信号，信号幅度有了大幅度地衰减，说的严重点，信号被衰减没了。

补充：文中是通过一个 RC 低通滤波器作为例子来考虑的，文中所说的阻低频通高频可以看做高频信号通过电容进入地，而低频信号则不能进入地。这样应该不会有误解了。：）

下接：电容阻低频通高频续