電容器：負電壓發(fā)生器
　　首先，讓我們從我能想到的簡單的負電壓生成電路開始，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生成電路。

　　圖 1.具有脈沖電壓源、電容器和電阻器的負電壓生成電路示例。

　　該電路的瞬態(tài)仿真會產(chǎn)生具有熟悉模式的波形（圖 2）；如果您花了一些時間在電子實驗室中試驗電路，您可能已經(jīng)看到過類似的情況。

　　圖 1 瞬態(tài)仿真的示例波形。
　　圖 2.圖 1 瞬態(tài)仿真的示例波形。
　　顯然，我們產(chǎn)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(chǎn)生穩(wěn)定的負電壓來為其他組件供電；然而，該模擬表明負電壓并不是僅由復雜電路產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象。
　　考慮到這一點，這里到底發(fā)生了什么？讓我們來看看。
　　當源電壓從 0V 轉(zhuǎn)變?yōu)?5V 時，電容器左側(cè)也轉(zhuǎn)變?yōu)?5V；電容器的正極源極端子和左側(cè)端子實際上是相同的節(jié)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(cè)端子的電壓跟蹤源電壓的上升沿，因為電容器對于快速變化的電壓幾乎是“透明的”。請注意，正如《關(guān)于電路》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(wěn)定在 5V 時，電容器開始充電。電容器現(xiàn)在的功能類似于開路，這意味著它會阻止原本由源電壓提供的電流，并開始通過電阻器放電。當源電壓轉(zhuǎn)變回 0 V 時，電容器部分放電，這就是事情變得有趣的地方。
　　源電壓從 5V 躍升至 0V，但電容器兩端的電壓無法瞬間改變——電容器需要時間來釋放其存儲的電荷。由于電容器的左側(cè)端子與源極的正極端子具有相同的電壓，因此電容器的右側(cè)端子必須快速降低 5V，以使電容器兩端的電壓保持相同。如果電容器的右側(cè)端子為 1.5V，并且必須降低 5V，那么只有一個地方可以去：進入負電壓區(qū)域。
　　正如我在前面提到的文章中所解釋的，正電壓和負電壓都為電流提供能量，但在負電壓下，電流從零伏參考節(jié)點流向負電壓節(jié)點。如果我們向圖中添加電流跡線，我們可以在模擬中看到這種行為（圖 3）。

　　顯示添加了電流跡線的仿真的繪圖。

　　圖 3.顯示添加電流跡線的仿真的繪圖。
　　在圖 3 中，請注意當負載電壓為負時電流如何為負。負電流并不意味著導體中的電荷移動“小于零”。它只是意味著電流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，并且由于負 V(負載) 導致電流從接地節(jié)點流出，然后向上流過電阻器，因此 LTspice 將電流識別為負電流。
　　電容器和開關(guān)：負電壓電源
　　借助一些壓控開關(guān)和額外的電容器，我們可以將電容器轉(zhuǎn)換為負電壓發(fā)生器，產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓并為其他組件供電。考慮下面圖 4 中所示的電路；這是開關(guān)電容逆變器的 LTspice 版本。

　　LTspice 版本的開關(guān)電容器逆變器圖。

　　圖 4. LTspice 版本的開關(guān)電容器逆變器圖。
　　圖 5 顯示了更簡化的原理圖示例。

　　使用開關(guān)電容器拓撲生成反向電源電壓的 IC 簡化原理圖。

　　圖 5.使用開關(guān)電容器拓撲生成反向電源電壓的 IC 簡化原理圖示例。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 )，將充電后的電容器與輸入源斷開，然后將充電后的電容器連接到第二個電容器 (C2)，以便較高電壓端子C1的接地端與C2的接地端配對。這種開關(guān)技術(shù)迫使 C2 另一個端子的電壓相對于地降低 V IN伏特。因此，輸出電壓轉(zhuǎn)變至負電壓區(qū)域。
　　也許您可以明白為什么這種類型的電路也稱為電荷泵。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(zhuǎn)電壓的方式連接。泵送動作由 控制開關(guān)的方波控制。
　　簡化原理圖所示的數(shù)字逆變器可確保 S1 和 S3 開啟，而 S2 和 S4 關(guān)閉，反之亦然。在我的 LTspice 電路中，兩個壓控開關(guān)由相同的方波控制。我只需定義兩個不同的軟件模型即可施加正確的開/關(guān)關(guān)系：
　　SW1 在“開”狀態(tài)時具有低電阻，在“關(guān)”狀態(tài)時具有高電阻
　　SW2 在“開”狀態(tài)時具有高電阻，在“關(guān)”狀態(tài)時具有低電阻
　　下面是 LTspice 原理圖中標記為 INVERTED 的輸出電壓圖。

　　輸出電壓圖，在 LTspice 原理圖中標記為 INVERTED。

　　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 中看到電路需要一些時間來泵壓至負 V IN。

　　電路模擬圖的放大版本。

　　圖 7.電路模擬圖的放大版本。
　　使用 LTspice 了解負電壓
　　我希望這些模擬能夠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偏移到“接地”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(guān)電容逆變器的設計和性能。