1 前言

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為了加快負(fù)載端電壓變化率， 通常會(huì)在驅(qū)動(dòng)電路中的電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容， 這個(gè)電容被稱(chēng)為加速電容。根據(jù)負(fù)載的不同， 加速電容主要應(yīng)用于阻容負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路和晶體管驅(qū)動(dòng)電路兩類(lèi)場(chǎng)合。

如圖1.1為阻容負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的加速應(yīng)用， R2和C2分別是負(fù)載端的等效電阻和等效電容，驅(qū)動(dòng)電路中串入的電阻R1一般起到限制電流或穩(wěn)定電路等作用，并聯(lián)在R1電阻兩端的C1 是加速電容。

如圖1.2所示為晶體管驅(qū)動(dòng)電路的加速應(yīng)用，這里以三極管為例，其中R1為基極限流作用，R2為三極管集電極的上拉電阻，R3將輸入端口下拉到地保證在沒(méi)有輸入的情況下能夠穩(wěn)定輸出高電平，同時(shí)在三極管截止時(shí)給基區(qū)過(guò)量的電荷提供泄放回路縮短三極管的退飽和時(shí)間，C1為加速電容。

2 加速電容原理

不論是阻容負(fù)載還是晶體管驅(qū)動(dòng)電路，加速電容根本的加速原因都是利用了電容兩端電壓不能突變的原理，下面將具體分析這兩類(lèi)驅(qū)動(dòng)電路的加速原理。

2.1 阻容負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路

如圖2.1(a)所示為不使用加速電容的驅(qū)動(dòng)電路示意圖，在輸入端加入一個(gè)階躍，Vin會(huì)通過(guò)電阻R1和電阻R2對(duì)負(fù)載等效電容C2充電，因此Vout電壓不會(huì)立刻變化，電壓變化的快慢取決于電容C2的充電時(shí)間。

根據(jù)Vout的輸出表達(dá)式

得到

令Vout=0.9Vin。通過(guò)表達(dá)式1可以計(jì)算出Vout輸出電壓的上升時(shí)間tr=115ns。

注：本文所有的上升時(shí)間默認(rèn)為10%~90%上升時(shí)間。10%~90%上升時(shí)間：階躍響應(yīng)波形從10%幅度上升到90%幅度所用的時(shí)間。

在上述電路的輸入端加入一個(gè)5V的階躍，使用Multisim仿真輸出波形如圖2.1(b)所示，輸出電壓沒(méi)有緊跟輸入電壓變化而是按指數(shù)規(guī)律上升，上升所用時(shí)間為115ns。

如圖2.2(a)所示為使用加速電容的驅(qū)動(dòng)電路示意圖，電阻R1兩端并聯(lián)了一個(gè)加速電容C1，當(dāng)階躍開(kāi)始時(shí)由于C1電容兩端的電壓不能突變將電阻R1短路，所以不存在電阻對(duì)電容充電的過(guò)程，Vout電壓可以迅速變化。

當(dāng)t=0時(shí)，得到階躍開(kāi)始時(shí)的輸出電壓為：

將C1和C2的值代入表達(dá)式3中計(jì)算得Vout=0.995Vin，當(dāng)t=0時(shí)Vout已經(jīng)超過(guò)了90%幅度，所以使用加速電容后上升時(shí)間tr=0ns。

在圖2.2(a)所示電路的輸入端加入一個(gè)5V階躍，使用Multisim仿真輸出波形如圖2.2(b)所示，上升時(shí)間為0ns。從上述分析可得，在阻容負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用中，加速電容利用了電容兩端電壓不能突變的原理，消除了驅(qū)動(dòng)電路中阻容充放電過(guò)程，加快了負(fù)載端的電壓變化率。

2.2 晶體管驅(qū)動(dòng)電路

下面以三極管驅(qū)動(dòng)電路為例來(lái)分析晶體管驅(qū)動(dòng)電路中的加速電容工作原理。如圖2.3(a)所示為不使用加速電容的三極管驅(qū)動(dòng)電路。其中三極管工作在截止和飽和區(qū)，當(dāng)輸入從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，三極管從飽和狀態(tài)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，但是由于三極管飽和時(shí)會(huì)在基區(qū)存入過(guò)量的電荷，這些電荷只能通過(guò)電阻R1和R3緩慢地泄放。基極過(guò)量電荷完全泄放所需的時(shí)間被稱(chēng)為三極管的存儲(chǔ)時(shí)間ts，在存儲(chǔ)時(shí)間階段集電極電壓是不會(huì)變化的，所以輸出電壓會(huì)延遲ts時(shí)間才開(kāi)始變化。

使用Multisim仿真上述電路，輸入頻率為500KHz的3.3V方波，方波邊沿變化速率設(shè)置為10ns，仿真結(jié)果如圖2.3(b)所示，輸出波形滯后了輸入波形114ns才開(kāi)始變化。如圖2.4(a)所示為采用加速電容的三極管驅(qū)動(dòng)電路。限流電阻R1兩端并聯(lián)了一個(gè)1nF的加速電容C1，輸入高電平電容C1充電存儲(chǔ)電荷，當(dāng)輸入從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，由于電容兩端電壓不能突變，電容C1將電阻R1短路，基區(qū)過(guò)量的電荷和電容C1的存儲(chǔ)電荷迅速中和減少了存儲(chǔ)時(shí)間，縮短了輸入輸出的時(shí)間延遲。

使用Multisim仿真圖2.4(a)電路，輸入頻率為500KHz的3.3V方波，方波邊沿變化速率設(shè)置為10ns，結(jié)果如圖2.4(b)所示，輸出電壓緊跟輸入電壓變化幾乎沒(méi)有延遲。從上述的分析可得，三極管驅(qū)動(dòng)電路在飽和時(shí)給加速電容充電，當(dāng)三極管截止時(shí)利用電容兩端電壓不能突變將限流電阻短路，基區(qū)過(guò)量的電荷迅速釋放，減少了存儲(chǔ)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了加速的作用。

審核編輯：湯梓紅