加速电容在电路中的妙用

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1 前言
为了加快负载端电压变化率， 通常会在驱动电路中的电阻两端并联一个电容， 这个电容被称为加速电容。根据负载的不同， 加速电容主要应用于阻容负载驱动电路和晶体管驱动电路两类场合。
$ X8 g! x- I1 Z6 P1 i如图1.1为阻容负载驱动电路的加速应用， R2和C2分别是负载端的等效电阻和等效电容，驱动电路中串入的电阻R1一般起到限制电流或稳定电路等作用，并联在R1电阻两端的C1 是加速电容。

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7 ]* G& x! _' {5 t, l; q' L如图1.2所示为晶体管驱动电路的加速应用，这里以三极管为例，其中R1为基极限流作用，R2为三极管集电极的上拉电阻，R3将输入端口下拉到地保证在没有输入的情况下能够稳定输出高电平，同时在三极管截止时给基区过量的电荷提供泄放回路缩短三极管的退饱和时间，C1为加速电容。

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2 加速电容原理
& K- j! ^7 |% Z( w5 q. L( E- W不论是阻容负载还是晶体管驱动电路，加速电容根本的加速原因都是利用了电容两端电压不能突变的原理，下面将具体分析这两类驱动电路的加速原理。2.1 阻容负载驱动电路如图2.1(a)所示为不使用加速电容的驱动电路示意图，在输入端加入一个阶跃，Vin会通过电阻R1和电阻R2对负载等效电容C2充电，因此Vout电压不会立刻变化，电压变化的快慢取决于电容C2的充电时间。
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9 w2 \; h  B2 R/ Q根据Vout的输出表达式
' u% N2 K$ X) p4 b. J2 E$ _

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得到  

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. o0 `* @( W" [, R: p令Vout=0.9Vin。通过表达式1可以计算出Vout输出电压的上升时间tr=115ns。
% R) F; m4 U% H1 O- T注：本文所有的上升时间默认为10%~90%上升时间。10%~90%上升时间：阶跃响应波形从10%幅度上升到90%幅度所用的时间。
在上述电路的输入端加入一个5V的阶跃，使用Multisim仿真输出波形如图2.1(b)所示，输出电压没有紧跟输入电压变化而是按指数规律上升，上升所用时间为115ns。
如图2.2(a)所示为使用加速电容的驱动电路示意图，电阻R1两端并联了一个加速电容C1，当阶跃开始时由于C1电容两端的电压不能突变将电阻R1短路，所以不存在电阻对电容充电的过程，Vout电压可以迅速变化。

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; v. F2 `" k2 l; e& S* q  S当t=0时，得到阶跃开始时的输出电压为：
+ o4 J' Q* {1 Y  K; b

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' ^0 Q: F& U' j3 D" j' ^6 \7 d8 i2 C将C1和C2的值代入表达式3中计算得Vout=0.995Vin，当t=0时Vout已经超过了90%幅度，所以使用加速电容后上升时间tr=0ns。
  ]0 h3 s  j* M, R在图2.2(a)所示电路的输入端加入一个5V阶跃，使用Multisim仿真输出波形如图2.2(b)所示，上升时间为0ns。从上述分析可得，在阻容负载驱动电路的应用中，加速电容利用了电容两端电压不能突变的原理，消除了驱动电路中阻容充放电过程，加快了负载端的电压变化率。

2.2 晶体管驱动电路
$ @* A# O6 X7 n- Y8 X$ P下面以三极管驱动电路为例来分析晶体管驱动电路中的加速电容工作原理。如图2.3(a)所示为不使用加速电容的三极管驱动电路。其中三极管工作在截止和饱和区，当输入从高电平变为低电平时，三极管从饱和状态进入截止状态，但是由于三极管饱和时会在基区存入过量的电荷，这些电荷只能通过电阻R1和R3缓慢地泄放。基极过量电荷完全泄放所需的时间被称为三极管的存储时间ts，在存储时间阶段集电极电压是不会变化的，所以输出电压会延迟ts时间才开始变化。

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使用Multisim仿真上述电路，输入频率为500KHz的3.3V方波，方波边沿变化速率设置为10ns，仿真结果如图2.3(b)所示，输出波形滞后了输入波形114ns才开始变化。如图2.4(a)所示为采用加速电容的三极管驱动电路。限流电阻R1两端并联了一个1nF的加速电容C1，输入高电平电容C1充电存储电荷，当输入从高电平变为低电平时，由于电容两端电压不能突变，电容C1将电阻R1短路，基区过量的电荷和电容C1的存储电荷迅速中和减少了存储时间，缩短了输入输出的时间延迟。
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使用Multisim仿真图2.4(a)电路，输入频率为500KHz的3.3V方波，方波边沿变化速率设置为10ns，结果如图2.4(b)所示，输出电压紧跟输入电压变化几乎没有延迟。从上述的分析可得，三极管驱动电路在饱和时给加速电容充电，当三极管截止时利用电容两端电压不能突变将限流电阻短路，基区过量的电荷迅速释放，减少了存储时间，实现了加速的作用。