用LTspice和负电压发生器探索负电压

在本文中，我们将使用SPICE仿真来探索负电压的理论和行为。

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在之前的一篇文章中，我提供了负电压的主要理论解释。我想继续这个话题，展示负电压的作用，并结合解释，这将有助于加强我们对负电压的理解。要做到这一点，我们将在这里使用LTspice进行“动手”工作，但如果您可以使用测试设备和一些常见的电子元件，您可以很容易地将第一个模拟重新创建为用示波器测量的物理电路。

电容器：负电压发生器

首先，让我们从我能想到的最简单的负电压产生电路之一开始，它由脉冲电压源、电容器和电阻器组成。该电路如下图1所示。

具有脉冲电压源、电容器和电阻器的示例负电压产生电路。

图1。具有脉冲电压源、电容器和电阻器的示例负电压产生电路。

该电路的瞬态模拟产生具有熟悉模式的波形（图2）；如果你在电子实验室花了一些时间对电路进行实验，你可能会看到类似的东西。 

图1瞬态模拟的波形示例。

图2:图1瞬态模拟的波形示例。 

很明显，我们产生了负电压。我不会把它称为负电压电源，因为这个电路不能产生稳定的负电压来为其他部件供电；然而，该仿真表明，负电压并不是仅由复杂电路产生的奇异现象。

考虑到这一点，这里到底发生了什么？让我们来看看。

当源极电压从0V转变为5V时，电容器的左侧也转变为5V；电容器的正极端子和左侧端子实际上是相同的节点，因此它们必须具有完全相同的电压。图中标记为V（负载）的电容器右侧端子的电压跟踪源电压的上升沿，因为电容器对快速变化的电压几乎是“透明的”。请注意，正如《关于电路的一切》教科书中所解释的那样，通过电容器的电流与电压的变化率成正比。

当电源电压稳定在5V时，电容器被充电。电容器现在的功能就像开路，这意味着它阻断了由电源电压提供的电流，并开始通过电阻器放电。当电源电压转换回0V时，电容器会部分放电，这就是事情变得有趣的地方。

电源电压从5伏跳到0伏，但电容器两端的电压不能瞬间变化——电容器需要时间来释放其储存的电荷。由于电容器的左侧端子与电源的正极端子具有相同的电压，因此电容器的右侧端子必须迅速降低5伏，以便电容器两端电压保持不变。如果电容器的右侧端子电压为1.5 V，并且必须降低5 V，那么只有一个地方可以去：进入负电压区域。

正如我在前面提到的文章中所解释的，正电压和负电压都为电流提供能量，但对于负电压，电流从零伏参考节点流入负电压节点。如果我们将当前轨迹添加到绘图中，我们可以在模拟中看到这种行为（图3）。

显示添加电流轨迹的模拟的图。

图3。显示添加电流轨迹的模拟的图。 

在图3中，注意当负载电压为负时，电流是如何为负的。负电流并不意味着电荷通过导体的运动“小于零”。它只是意味着电流的方向与参考方向相反。在该模拟中，向下流过电阻器的电流被定义为正电流，并且由于负V（负载）导致电流从接地节点流动，然后向上流过电阻器，所以LTspice将电流识别为负电流。

电容器和开关：负电压电源

在一些电压控制开关和额外电容器的帮助下，我们可以将电容器转换为负电压发生器，产生稳定的电压并为其他组件供电。考虑下图4所示的电路；这是开关电容逆变器的LTspice版本。

开关电容器逆变器图的LTspice版本。

图4。开关电容器逆变器图的LTspice版本。 

图5显示了一个更简化的示意图示例。

使用开关电容器拓扑结构生成反向电源电压的IC的简化示意图。

图5。使用开关电容器拓扑来生成反向电源电压的IC的简化示意图的示例。图像由Analog Devices提供 

基本思想是，我们将电容器（C1）充电到输入电压（VIN），断开充电的电容器与输入源的连接，然后将充电的电容连接到第二电容器（C2），使得C1的高电压端子与C2的接地端子配对。这种开关技术迫使C2的另一个端子的电压相对于地降低VIN伏。因此，输出电压转移到负电压区域中。

也许你可以理解为什么这种电路也被称为电荷泵。我们将电荷从输入电源抽运到一个电容器，然后再抽运到第二个电容器上，电容器的端子以使电压反相的方式连接。泵送动作由控制开关的方波控制。

简化示意图中所示的数字反相器确保S1和S3接通，而S2和S4断开，反之亦然。在我的LTspice电路中，两个电压控制开关由同一方波控制。我仅通过定义两种不同的SW模型来强加适当的开/关关系：

SW1在“接通”状态下具有低电阻，而在“断开”状态下则具有高电阻

SW2在“接通”状态下具有高电阻，而在“断开”状态下则具有低电阻

以下是LTspice示意图中标记为INVERTED的输出电压图。

输出电压的曲线图，在LTspice示意图中标记为INVERTED。

图6。输出电压的曲线图，在LTspice示意图中标记为INVERTED。

如果我们放大，我们可以在图7中看到，电路需要一点时间来向下泵浦到负VIN。 

回路模拟绘图的放大版本。

图7。回路模拟绘图的放大版本。

用LTspice理解负电压

我希望这些模拟能帮助您更多地了解什么是负电压，以及普通组件如何导致电压低于“地”，即低于电路的参考电压。我计划在未来的文章中进一步探索LTspice开关电容逆变器的设计和性能。