RC微分回路説明

これは、入出力電圧波形を備えた基本的なRC微分器の回路です。

1. まず、電源がオンになっているのに出力電圧が低下する（コンデンサから電荷が放電される）理由がわかりません。
2. 次に、抵抗の両端の電圧が負のレベルに低下する理由がわかりません。

簡単な質問であることは承知していますが、この基本的な回路を理解するのを手伝ってください-ありがとうございます。

要するに、入力信号の低から高への遷移の場合、コンデンサは放電されず、充電され、高から低への遷移が発生するまで充電されたままになります。

それにもかかわらず、ここに長い話があります：

RとCの位置を変更することから始める自由があります。I _in  = I _C  = I _Rなので、実際にこれを行うことが許可されていることに注意してください（KCL）。これは、コンデンサーが抵抗器を介して充電されている場合に通常見られる画像なので、努力する価値があります。

RC時定数および0 VからV _inへの入力電圧ステップの大きさに従って、Cがどのように充電されるかを確認できます。V：コンデンサの上部に抵抗の両端の残りの電圧は、より我々は、コンデンサ充電少なくなる方法も、我々が見ることができる_R  = V _で  V - _Cします。これは、出力電圧の低下についての最初の質問にほぼ答えています。この設定を上下逆にするだけです。

これがまた元の回路です。説明のために必要ないくつかの記号、負荷がないという仮定、および  上がCのV _outと下がRのV _outを示す方程式を示します。

Cの上部プレートがV _inに留まり、下部プレートが0 Vに向かって充電され、最後に、下部プレートと0 Vの間に抵抗器の両端に電圧が残っていないことを想像できます。

これは最終的にあなたの質問の最初の部分に答えます（なぜCは放電されますか？）-放電されず、実際に充電されます。上部プレートではなく、抵抗器に接続された下部プレートを見ているだけで、Rを介して徐々に引き下げられます。

ここで、出力電圧が抵抗の両端の電圧に等しいことを思い出してください。V _out  = V _R  = R×I _R、そして再び、I _out  = 0（無視できる負荷）とすると、V _out  = R×I _Cです。つまり、出力電圧はコンデンサの充電電流に比例し、抵抗Rの値によってスケーリングされます。

入力信号の低から高へのステップは、すでに計算したように、Rに正のスパイクを作成します。すべてを反転すると、Cを流れる電流がI _Cに使用した矢印の反対方向に流れているため、高から低へのステップが負のスパイクを作成する方法がわかります。これは、質問の2番目の部分に答えます（ 「なぜ出力にマイナスのスパイクが出るのですか？」）

気に入ったら（そしてそれは楽しいと思います！）、さらに絵を描いて、高から低へのイベントを計算することができます。

編集
負の電源がないことがわかっている場合、負の電圧は少し予想外です。しかし、コンデンサの両端の電圧を見ると、理にかなっています。最初に電源が投入されたとき、コンデンサの両側の電圧はゼロです。方形波を開始すると、入力は5 Vになります。コンデンサは、電圧が急速に変化することに消極的です。それらを高速に充電するには、大量の電流を供給する必要があります。しかし、抵抗はこれを許可しません。そのため、最初に起こるのは、コンデンサの右側が入力に従うだけです。また、+ 5 Vにジャンプし、抵抗器を介してゆっくりと充電されます。（ここでの充電は、入力の電圧が正であるため、電圧を下げることを意味することに注意してください。）

入力がゼロになると、同様のことが起こります。この場合も、電圧はそれほど速く変化しないため、出力は入力に従います。しかし、入力は5 Vで、出力は0 Vでした。したがって、入力がゼロになると、コンデンサは5 Vを維持し、出力は-5 Vになる必要があります。

図面に3つ目の曲線を追加しました。上の方は入力、真ん中は出力、下の方はそれらの差、つまりコンデンサの両端の電圧です。急速な電圧変化なしで、おなじみの充放電パターンに従っていることがわかります。
編集の終わり

低下電圧（*）は抵抗によるものです。時定数RCで決定される速度で出力電圧を指数関数的に引き下げます。1 RC時間後、電圧は37％（1 / e）に低下し、約5 RC時間後に1％に低下します（経験則）。

これを見る別の方法は次のとおりです
。ネガティブエッジは、エッジの高周波によって引き起こされます。エッジには広いスペクトルがあり、エッジが急になるほどスペクトルが広くなります。低い周波数とは異なり、これらの高い周波数はほとんど減衰せずにコンデンサを通過します。したがって、入力が5 Vから0 Vに向かう負のエッジを示している場合、出力には5 Vの負のエッジがあります。その時点でレベルがゼロに近い場合、電圧は-5 Vになります。RC時定数がそれより高い場合、電圧はそれほど垂下せず、負のパルスはたとえば+2 Vから-3に進む可能性があります。 V.

（*）zebonautが正しく指摘したように、ここで「放電」という言葉を誤用しました。あなたがしていることはコンデンサーを充電することです。コンデンサに変化がないため、入力は+5 Vになり、出力は一瞬出力されます。出力電圧は、コンデンサ両端の電圧が減少するにつれて増加することは、取得した手段、帯電し、放電されません。

これを理解する最初のステップは、「電圧」の性質を理解することです。これを行うには、オームの法則を理解する必要があります。

オームの法則によれば、抵抗器の両端に現れる出力電圧は、抵抗器を流れる電流によって決定されます。入力電圧が最初に上昇すると、電流がコンデンサと抵抗を流れます。

次に、コンデンサが充電されます。充電されると、電流が流れなくなります。また、抵抗器を流れるのを停止します。これで、抵抗の両端の電圧はゼロになります。

これを理解すれば、残りは解決できるかもしれません。

抵抗とコンデンサは直列に接続されています。理解するには、電流がどのように流れるかを理解する必要があります。コンデンサはDC励起用の開回路のようなものであるため、安定したDC入力の場合、しばらくすると電流がゼロになるはずです。電流は、RC回路に入力電圧が印加された瞬間に最大になり、その後指数関数的に低下します。出力は定抵抗と指数関数的に低下する電流の積であるため、入力電圧がまだ存在しているときに出力電圧が低下するのはこのためです。

第2に、入力で突然の変化を行うと、コンデンサープレート間の電圧を突然変化させることができないため、この変化はコンデンサーの別のプレートにすぐに影響します（そのためには無限の電流が必要になります）。抵抗が小さいほど、RC回路は完全な微分器に近くなります。あなたはこれをシミュレートすることができます

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

最初は、コンデンサの両方のサイズが同じ電圧（vdiff = 0）であり、vin（キャップ​​のサイドA）が0または5vかどうかに関係なく、vout（キャップ​​のサイドB）は同じになります。したがって、方形波がtime0で5vに発射すると、voutも5vに発射します。時間が経過するとキャップが充電されるため、キャップのサイドb（またはvout）は0vになります。現在、キャップ全体のvdiffは5vです。方形波が0vに低下すると、キャップ全体のvdiffは5vを維持する必要があるため、これによりvout（またはキャップのサイドbが-5vを読み取るようになります。したがって、キーはキャップ全体のvdiffです）