加速電容在電路中的妙用
為了加快負(fù)載端電壓變化率， 通常會在驅(qū)動電路中的電阻兩端并聯(lián)一個電容， 這個電容被稱為加速電容。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)動電路和晶體管驅(qū)動電路兩類場合。
如圖1.1為阻容負(fù)載驅(qū)動電路的加速應(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有輸入的情況下能夠穩(wěn)定輸出高電平，同時在三極管截止時給基區(qū)過量的電荷提供泄放回路縮短三極管的退飽和時間，C1為加速電容。
不論是阻容負(fù)載，還是晶體管驅(qū)動電路，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驅(qū)動電路的加速原理。
1、阻容負(fù)載驅(qū)動電路
如圖2.1(a)所示，為不使用加速電容的驅(qū)動電路示意圖。在輸入端加入一個階躍，Vin會通過電阻R1和電阻R2對負(fù)載等效電容C2充電，因此Vout電壓不會立刻變化，電壓變化的快慢取決于電容C2的充電時間。
根據(jù)Vout的輸出表達(dá)式：
可以得到：
令Vout=0.9Vin。通過表達(dá)式1可以計(jì)算出Vout輸出電壓的上升時間tr=115ns。
注：本文所有的上升時間默認(rèn)為10%~90%上升時間。10%~90%上升時間：階躍響應(yīng)波形從10%幅度上升到90%幅度所用的時間。
在上述電路的輸入端加入一個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，上升所用時間為115ns。
如圖2.2(a)所示，為使用加速電容的驅(qū)動電路示意圖。電阻R1兩端并聯(lián)了一個加速電容C1，當(dāng)階躍開始時由于C1電容兩端的電壓不能突變將電阻R1短路，所以不存在電阻對電容充電的過程，Vout電壓可以迅速變化。
當(dāng)t=0時，得到階躍開始時的輸出電壓為：
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Vout已經(jīng)超過了90%幅度，所以使用加速電容后上升時間tr=0ns。
在圖2.2(a)所示電路的輸入端加入一個5V階躍，使用Multisim仿真輸出波形如圖2.2(b)所示，上升時間為0ns。從上述分析可得，在阻容負(fù)載驅(qū)動電路的應(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)動電路中阻容充放電過程，加快了負(fù)載端的電壓變化率。
2、晶體管驅(qū)動電路
下面以三極管驅(qū)動電路為例，分析一下晶體管驅(qū)動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，三極管從飽和狀態(tài)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。但是，由于三極管飽和時會在基區(qū)存入過量的電荷，這些電荷只能通過電阻R1和R3緩慢地泄放。基極過量電荷完全泄放所需的時間被稱為三極管的存儲時間ts，在存儲時間階段集電極電壓是不會變化的，所以輸出電壓會延遲ts時間才開始變化。
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才開始變化。如圖2.4(a)所示為采用加速電容的三極管驅(qū)動電路。
限流電阻R1兩端并聯(lián)了一個1nF的加速電容C1，輸入高電平電容C1充電存儲電荷，當(dāng)輸入從高電平變?yōu)榈碗娖綍r，由于電容兩端電壓不能突變，電容C1將電阻R1短路，基區(qū)過量的電荷和電容C1的存儲電荷迅速中和減少了存儲時間，縮短了輸入輸出的時間延遲。
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有延遲。
從上述的分析可得，三極管驅(qū)動電路在飽和時給加速電容充電，當(dāng)三極管截止時利用電容兩端電壓不能突變將限流電阻短路，基區(qū)過量的電荷迅速釋放，減少了存儲時間，實(shí)現(xiàn)了加速的作用。
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