用LTspice和負(fù)電壓發(fā)生器探索負(fù)電壓

在本文中，我們將使用SPICE仿真來探索負(fù)電壓的理論和行為。

在之前的一篇文章中，我提供了負(fù)電壓的主要理論解釋。我想繼續(xù)這個(gè)話題，展示負(fù)電壓的作用，并結(jié)合解釋，這將有助于加強(qiáng)我們對(duì)負(fù)電壓的理解。要做到這一點(diǎn)，我們將在這里使用LTspice進(jìn)行“動(dòng)手”工作，但如果您可以使用測(cè)試設(shè)備和一些常見的電子元件，您可以很容易地將第一個(gè)模擬重新創(chuàng)建為用示波器測(cè)量的物理電路。

電容器：負(fù)電壓發(fā)生器

首先，讓我們從我能想到的最簡(jiǎn)單的負(fù)電壓產(chǎn)生電路之一開始，它由脈沖電壓源、電容器和電阻器組成。該電路如下圖1所示。

具有脈沖電壓源、電容器和電阻器的示例負(fù)電壓產(chǎn)生電路。

圖1。具有脈沖電壓源、電容器和電阻器的示例負(fù)電壓產(chǎn)生電路。

該電路的瞬態(tài)模擬產(chǎn)生具有熟悉模式的波形（圖2）；如果你在電子實(shí)驗(yàn)室花了一些時(shí)間對(duì)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，你可能會(huì)看到類似的東西。 

圖1瞬態(tài)模擬的波形示例。

圖2:圖1瞬態(tài)模擬的波形示例。 

很明顯，我們產(chǎn)生了負(fù)電壓。我不會(huì)把它稱為負(fù)電壓電源，因?yàn)檫@個(gè)電路不能產(chǎn)生穩(wěn)定的負(fù)電壓來為其他部件供電；然而，該仿真表明，負(fù)電壓并不是僅由復(fù)雜電路產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象。

考慮到這一點(diǎn)，這里到底發(fā)生了什么？讓我們來看看。

當(dāng)源極電壓從0V轉(zhuǎn)變?yōu)?V時(shí)，電容器的左側(cè)也轉(zhuǎn)變?yōu)?V；電容器的正極端子和左側(cè)端子實(shí)際上是相同的節(jié)點(diǎn)，因此它們必須具有完全相同的電壓。圖中標(biāo)記為V（負(fù)載）的電容器右側(cè)端子的電壓跟蹤源電壓的上升沿，因?yàn)殡娙萜鲗?duì)快速變化的電壓幾乎是“透明的”。請(qǐng)注意，正如《關(guān)于電路的一切》教科書中所解釋的那樣，通過電容器的電流與電壓的變化率成正比。

當(dāng)電源電壓穩(wěn)定在5V時(shí)，電容器被充電。電容器現(xiàn)在的功能就像開路，這意味著它阻斷了由電源電壓提供的電流，并開始通過電阻器放電。當(dāng)電源電壓轉(zhuǎn)換回0V時(shí)，電容器會(huì)部分放電，這就是事情變得有趣的地方。

電源電壓從5伏跳到0伏，但電容器兩端的電壓不能瞬間變化——電容器需要時(shí)間來釋放其儲(chǔ)存的電荷。由于電容器的左側(cè)端子與電源的正極端子具有相同的電壓，因此電容器的右側(cè)端子必須迅速降低5伏，以便電容器兩端電壓保持不變。如果電容器的右側(cè)端子電壓為1.5 V，并且必須降低5 V，那么只有一個(gè)地方可以去：進(jìn)入負(fù)電壓區(qū)域。

正如我在前面提到的文章中所解釋的，正電壓和負(fù)電壓都為電流提供能量，但對(duì)于負(fù)電壓，電流從零伏參考節(jié)點(diǎn)流入負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)。如果我們將當(dāng)前軌跡添加到繪圖中，我們可以在模擬中看到這種行為（圖3）。

顯示添加電流軌跡的模擬的圖。

圖3。顯示添加電流軌跡的模擬的圖。 

在圖3中，注意當(dāng)負(fù)載電壓為負(fù)時(shí)，電流是如何為負(fù)的。負(fù)電流并不意味著電荷通過導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)“小于零”。它只是意味著電流的方向與參考方向相反。在該模擬中，向下流過電阻器的電流被定義為正電流，并且由于負(fù)V（負(fù)載）導(dǎo)致電流從接地節(jié)點(diǎn)流動(dòng)，然后向上流過電阻器，所以LTspice將電流識(shí)別為負(fù)電流。

電容器和開關(guān)：負(fù)電壓電源

在一些電壓控制開關(guān)和額外電容器的幫助下，我們可以將電容器轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓發(fā)生器，產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓并為其他組件供電。考慮下圖4所示的電路；這是開關(guān)電容逆變器的LTspice版本。

開關(guān)電容器逆變器圖的LTspice版本。

圖4。開關(guān)電容器逆變器圖的LTspice版本。 

圖5顯示了一個(gè)更簡(jiǎn)化的示意圖示例。

使用開關(guān)電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成反向電源電壓的IC的簡(jiǎn)化示意圖。

圖5。使用開關(guān)電容器拓?fù)鋪砩煞聪螂娫措妷旱腎C的簡(jiǎn)化示意圖的示例。圖像由Analog Devices提供 

基本思想是，我們將電容器（C1）充電到輸入電壓（VIN），斷開充電的電容器與輸入源的連接，然后將充電的電容連接到第二電容器（C2），使得C1的高電壓端子與C2的接地端子配對(duì)。這種開關(guān)技術(shù)迫使C2的另一個(gè)端子的電壓相對(duì)于地降低VIN伏。因此，輸出電壓轉(zhuǎn)移到負(fù)電壓區(qū)域中。

也許你可以理解為什么這種電路也被稱為電荷泵。我們將電荷從輸入電源抽運(yùn)到一個(gè)電容器，然后再抽運(yùn)到第二個(gè)電容器上，電容器的端子以使電壓反相的方式連接。泵送動(dòng)作由控制開關(guān)的方波控制。

簡(jiǎn)化示意圖中所示的數(shù)字反相器確保S1和S3接通，而S2和S4斷開，反之亦然。在我的LTspice電路中，兩個(gè)電壓控制開關(guān)由同一方波控制。我僅通過定義兩種不同的SW模型來強(qiáng)加適當(dāng)?shù)拈_/關(guān)關(guān)系：

SW1在“接通”狀態(tài)下具有低電阻，而在“斷開”狀態(tài)下則具有高電阻

SW2在“接通”狀態(tài)下具有高電阻，而在“斷開”狀態(tài)下則具有低電阻

以下是LTspice示意圖中標(biāo)記為INVERTED的輸出電壓圖。

輸出電壓的曲線圖，在LTspice示意圖中標(biāo)記為INVERTED。

圖6。輸出電壓的曲線圖，在LTspice示意圖中標(biāo)記為INVERTED。

如果我們放大，我們可以在圖7中看到，電路需要一點(diǎn)時(shí)間來向下泵浦到負(fù)VIN。 

回路模擬繪圖的放大版本。

圖7。回路模擬繪圖的放大版本。

用LTspice理解負(fù)電壓

我希望這些模擬能幫助您更多地了解什么是負(fù)電壓，以及普通組件如何導(dǎo)致電壓低于“地”，即低于電路的參考電壓。我計(jì)劃在未來的文章中進(jìn)一步探索LTspice開關(guān)電容逆變器的設(shè)計(jì)和性能。