電容器：負電壓發生器

首先，讓我們從我能想到的簡單的負電壓產生電路之一開始，它由一個脈沖電壓源、一個電容器和一個電阻組成。這個電路可以在下面的圖 1 中看到。

圖 1.帶有脈沖電壓源、電容器和電阻器的負電壓生成電路示例。

該電路的瞬態仿真產生了一個具有熟悉模式的波形（圖 2）；如果您曾在電子實驗室花過一些時間試驗電路，您可能已經見過類似的東西。

圖 2.來自圖 1 的瞬態仿真的示例波形。

顯然，我們產生了負電壓。我不會將其稱為負電壓電源，因為該電路無法產生穩定的負電壓來為其他組件供電；然而，該模擬表明負電壓并非僅由復雜電路產生的奇異現象。

考慮到這一點，這里到底發生了什么？讓我們來看看。

當電源電壓從 0 V 轉變為 5 V 時，電容器的左側也轉變為 5 V；正源極端子和電容器的左側端子實際上是相同的節點，因此它們必須具有完全相同的電壓。圖中標記為 V（load） 的電容器右側端子的電壓跟蹤電源電壓的上升沿，因為電容器對快速變化的電壓幾乎是“透明的”。請注意，正如All About Circuits 教科書所解釋的那樣，通過電容器的電流與電壓變化率成正比。

當電源電壓穩定在 5 V 時，電容器充電。電容器現在的功能類似于開路，這意味著它會阻止本來由電源電壓提供的電流，并開始通過電阻器放電。當電源電壓轉換回 0 V 時，電容器部分放電，這就是事情變得有趣的地方。

電源電壓從 5 V 躍升至 0 V，但電容器兩端的電壓不能瞬間改變——電容器需要時間來釋放其存儲的電荷。由于電容器的左側端子與電源的正極端子具有相同的電壓，因此電容器的右側端子必須快速降低 5 V，以使電容器兩端的電壓保持不變。如果電容器的右側端子為 1.5 V 并且必須降低 5 V，則只有一個地方可以去：進入負電壓區域。

正如我在前面提到的文章中解釋的那樣，正電壓和負電壓都為電流提供能量，但對于負電壓，電流從零電壓參考節點流入負電壓節點。如果我們向圖中添加電流跡線，我們可以在仿真中看到這種行為（圖 3）。

圖 3.顯示添加了電流跡線的仿真圖。

在圖 3 中，請注意負載電壓為負時電流如何為負。負電流并不意味著電荷通過導體的運動“小于零”。它只是意味著電流的方向與參考方向相反。在此仿真中，向下流過電阻器的電流被定義為正電流，由于負 V（load） 導致電流從接地節點流出，然后向上流過電阻器，LTspice 將電流識別為負電流。

電容器和開關：負電壓電源

借助一些壓控開關和一個額外的電容器，我們可以將電容器轉換為產生穩定電壓并為其他組件供電的負電壓發生器?？紤]下面圖 4 中所示的電路；這是開關電容逆變器的 LTspice 版本。

圖 4. LTspice 版本的開關電容器逆變器圖。

圖 5 顯示了一個更簡化的示意圖示例。

圖 5.使用開關電容器拓撲生成反向電源電壓的 IC 簡化示意圖示例。圖片由Analog Devices提供

基本思想是，我們將電容器 （C1） 充電至輸入電壓 （V IN ），將充電的電容器與輸入源斷開，然后將充電的電容器連接至第二個電容器 （C2），從而使較高電壓端C1 的接地端子與 C2 的接地端子配對。這種開關技術迫使 C2 另一端的電壓相對于地降低 V IN伏特。因此，輸出電壓轉移到負電壓區域。

或許您能理解為什么這種電路也稱為電荷泵。我們將電荷從輸入電源泵送到一個電容器，然后泵送到第二個電容器，其端子以反轉電壓的方式連接。泵送動作由 控制開關的方波控制。

簡化示意圖中顯示的數字逆變器確保 S1 和 S3 導通，而 S2 和 S4 關閉，反之亦然。在我的 LTspice 電路中，兩個壓控開關由同一個方波控制。我通過定義兩個不同的 SW 模型來簡單地施加適當的開/關關系：

SW1 在“開”狀態下具有低電阻，在“關”狀態下具有高電阻

SW2 在“開”狀態下具有高電阻，在“關”狀態下具有低電阻

下面是 LTspice 原理圖中標記為 INVERTED 的輸出電壓圖。

圖 6.輸出電壓圖，在 LTspice 原理圖中標記為 INVERTED。

如果我們放大，我們可以在圖 7 中看到電路需要一點時間來將其一路抽至負 V IN。

圖 7.電路仿真圖的放大版本。

使用 LTspice 了解負電壓

我希望這些模擬能幫助您更多地了解什么是負電壓，以及普通元件如何導致電壓偏移到“地”以下，即低于電路的參考電壓。我計劃在以后的文章中進一步探討 LTspice 開關電容器逆變器的設計和性能。