用LTspice和負電壓發生器探索負電壓

在本文中，我們將使用SPICE仿真來探索負電壓的理論和行為。

在之前的一篇文章中，我提供了負電壓的主要理論解釋。我想繼續這個話題，展示負電壓的作用，并結合解釋，這將有助于加強我們對負電壓的理解。要做到這一點，我們將在這里使用LTspice進行“動手”工作，但如果您可以使用測試設備和一些常見的電子元件，您可以很容易地將第一個模擬重新創建為用示波器測量的物理電路。

電容器：負電壓發生器

首先，讓我們從我能想到的最簡單的負電壓產生電路之一開始，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電壓產生電路。

圖1。具有脈沖電壓源、電容器和電阻器的示例負電壓產生電路。

該電路的瞬態模擬產生具有熟悉模式的波形（圖2）；如果你在電子實驗室花了一些時間對電路進行實驗，你可能會看到類似的東西。 

圖1瞬態模擬的波形示例。

圖2:圖1瞬態模擬的波形示例。 

很明顯，我們產生了負電壓。我不會把它稱為負電壓電源，因為這個電路不能產生穩定的負電壓來為其他部件供電；然而，該仿真表明，負電壓并不是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。

當源極電壓從0V轉變為5V時，電容器的左側也轉變為5V；電容器的正極端子和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（負載）的電容器右側端子的電壓跟蹤源電壓的上升沿，因為電容器對快速變化的電壓幾乎是“透明的”。請注意，正如《關于電路的一切》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。

當電源電壓穩定在5V時，電容器被充電。電容器現在的功能就像開路，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。當電源電壓轉換回0V時，電容器會部分放電，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——電容器需要時間來釋放其儲存的電荷。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。如果電容器的右側端子電壓為1.5 V，并且必須降低5 V，那么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所解釋的，正電壓和負電壓都為電流提供能量，但對于負電壓，電流從零伏參考節點流入負電壓節點。如果我們將當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，注意當負載電壓為負時，電流是如何為負的。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V（負載）導致電流從接地節點流動，然后向上流過電阻器，所以LTspice將電流識別為負電流。

電容器和開關：負電壓電源

在一些電壓控制開關和額外電容器的幫助下，我們可以將電容器轉換為負電壓發生器，產生穩定的電壓并為其他組件供電。考慮下圖4所示的電路；這是開關電容逆變器的LTspice版本。

開關電容器逆變器圖的LTspice版本。

圖4。開關電容器逆變器圖的LTspice版本。 

圖5顯示了一個更簡化的示意圖示例。

使用開關電容器拓撲結構生成反向電源電壓的IC的簡化示意圖。

圖5。使用開關電容器拓撲來生成反向電源電壓的IC的簡化示意圖的示例。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。這種開關技術迫使C2的另一個端子的電壓相對于地降低VIN伏。因此，輸出電壓轉移到負電壓區域中。

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到一個電容器，然后再抽運到第二個電容器上，電容器的端子以使電壓反相的方式連接。泵送動作由控制開關的方波控制。

簡化示意圖中所示的數字反相器確保S1和S3接通，而S2和S4斷開，反之亦然。在我的LTspice電路中，兩個電壓控制開關由同一方波控制。我僅通過定義兩種不同的SW模型來強加適當的開/關關系：

SW1在“接通”狀態下具有低電阻，而在“斷開”狀態下則具有高電阻

SW2在“接通”狀態下具有高電阻，而在“斷開”狀態下則具有低電阻

以下是LTspice示意圖中標記為INVERTED的輸出電壓圖。

輸出電壓的曲線圖，在LTspice示意圖中標記為INVERTED。

圖6。輸出電壓的曲線圖，在LTspice示意圖中標記為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向下泵浦到負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，以及普通組件如何導致電壓低于“地”，即低于電路的參考電壓。我計劃在未來的文章中進一步探索LTspice開關電容逆變器的設計和性能。