除了解釋負(fù)電壓的性質(zhì)外，本文還簡(jiǎn)要討論了負(fù)電壓是如何產(chǎn)生的，以及為什么負(fù)電壓在電路設(shè)計(jì)中很有用。

負(fù)電壓的概念有時(shí)不如正電壓的概念直觀。 也許這是因?yàn)樵S多低壓電子系統(tǒng)不使用負(fù)電壓電源，或者因?yàn)椤柏?fù)”電壓意味著電源具有“小于零”的驅(qū)動(dòng)能力 當(dāng)前通過(guò)電路。 雖然許多有用的甚至高性能的器件可以在沒(méi)有負(fù)電壓的情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但了解負(fù)電壓是 一般了解電壓，大多數(shù)從事電子產(chǎn)品工作的人最終會(huì)遇到需要 負(fù)電壓電源(圖1)。

圖1. 同時(shí)使用正負(fù)電壓電源的B類音頻放大器原理圖。

電壓快速回顧

“電壓”這個(gè)詞現(xiàn)在在技術(shù)和日常環(huán)境中都非常普遍，以至于從科學(xué)的角度來(lái)看，偶爾提醒自己電壓到底是什么是個(gè)好主意。

電荷可以在世界上做功，并且使用能量的科學(xué)概念對(duì)功進(jìn)行分析和量化。 如果帶電粒子穿過(guò)導(dǎo)線，例如導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)，它們就有能量并且正在積極做功。 電壓是電能，但它不是一種有源能量。
電壓告訴我們?nèi)萘?在適當(dāng)?shù)那闆r下，帶電粒子做功——換句話說(shuō)，電壓是勢(shì)能的一種形式。 更具體地說(shuō)，它是每庫(kù)侖電荷的電勢(shì)能(以焦耳為單位)。

然而，這個(gè)定義仍然不完整，因?yàn)殡妷翰荒芄铝⒋嬖凇?當(dāng)電荷開(kāi)始做功時(shí)，它會(huì)從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，同樣，我們必須測(cè)量電壓，作為一個(gè)位置相對(duì)于其他某個(gè)位置的勢(shì)能(每單位電荷)的勢(shì)能(每單位電荷)。 因此，電壓始終是差分測(cè)量值。 當(dāng)我們說(shuō)在某個(gè)時(shí)候，電路“處于五伏”時(shí)，我們真正的意思是相對(duì)于電路假定的零伏參考點(diǎn)的五伏。

為了幫助理解電壓，圖2顯示了電路和電荷流的示例圖，以及一個(gè)有用的水類比。

圖2. 用于理解電壓的示例圖和水類比。

什么是負(fù)電壓?

負(fù)電壓與正電壓沒(méi)有根本區(qū)別; 兩者都表示相對(duì)于參考電位的勢(shì)能。 如果電路節(jié)點(diǎn)相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)處于正電壓，并且當(dāng)我們用
導(dǎo)體，常規(guī)電流將從正節(jié)點(diǎn)流向參考節(jié)點(diǎn)。 如果將負(fù)電壓的電路節(jié)點(diǎn)連接到參考節(jié)點(diǎn)，則常規(guī)電流將從參考節(jié)點(diǎn)流向負(fù)節(jié)點(diǎn)。 請(qǐng)記住，在低壓電子設(shè)計(jì)中，參考節(jié)點(diǎn)通常稱為”地“，但像”電路常見(jiàn)“這樣的東西會(huì)更準(zhǔn)確。

為了更好地理解這個(gè)概念，我認(rèn)為高度類比在這里會(huì)有所幫助。 假設(shè)珠穆朗瑪峰高29，032英尺，但單獨(dú)報(bào)告時(shí)，這個(gè)數(shù)字實(shí)際上毫無(wú)意義。 我們真正的意思是珠穆朗瑪峰的頂峰海拔29，032英尺。 海平面被定義為高度為零，即參考高度。 地球上最低的陸地高度，對(duì)應(yīng)于死海表面，在海平面以下約1，400英尺，我們可以將其描述為負(fù)1，400英尺的高度。

正負(fù)高度之間的差異是它們相對(duì)于零高度參考點(diǎn)的位置，就像正電壓和負(fù)電壓之間的差異是它們相對(duì)于零伏參考節(jié)點(diǎn)的電“位置”一樣。 如果我們使用馬里亞納海溝的底部作為參考點(diǎn)，珠穆朗瑪峰和死海都會(huì)有正高度。 如果我們使用平流層的上邊緣作為參考點(diǎn)，兩個(gè)高度都將是負(fù)數(shù)。 同樣，我們可以通過(guò)產(chǎn)生新電壓并將其用作零伏參考點(diǎn)，將正電壓“改變”為負(fù)電壓，反之亦然。

高度比較特別合適，因?yàn)橹亓Φ挠绊戭愃朴陔妱?shì)能的影響。 珠穆朗瑪峰上的球會(huì)滾向海平面，海平面上的球會(huì)滾向死海岸邊。 類似地，正電壓導(dǎo)致常規(guī)電流從正節(jié)點(diǎn)流向參考節(jié)點(diǎn)，負(fù)電壓導(dǎo)致電流從參考節(jié)點(diǎn)流向負(fù)節(jié)點(diǎn)。

產(chǎn)生負(fù)電壓

基本電路通常以未穩(wěn)壓的電源開(kāi)始，例如，來(lái)自電池或墻壁變壓器，使用線性穩(wěn)壓器。。 我們不能使用這種方法產(chǎn)生負(fù)電壓——不是因?yàn)樨?fù)電壓與正電壓有根本的不同，而是因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器通過(guò)耗散能量來(lái)發(fā)揮作用。 為了將正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓，我們可以使用也存儲(chǔ)能量的穩(wěn)壓器電路。

電容器和電感是可以儲(chǔ)存能量的基本電子元件，都可用于產(chǎn)生負(fù)電壓。 基于電容器的負(fù)電壓發(fā)生器屬于”電荷泵“類別的電源電路，而基于電感的負(fù)電壓發(fā)生器屬于”開(kāi)關(guān)模式“類別。 基于電感的解決方案，也稱為直流/直流轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源，更為常見(jiàn)。

圖3. 示例圖顯示了為兩個(gè)雙極結(jié)型晶體管(BJT)供電的正負(fù)電壓，可用于緩沖運(yùn)算放大器的輸出電流。

負(fù)電壓應(yīng)用和設(shè)計(jì)資源

雖然許多電子設(shè)備可以在沒(méi)有負(fù)電源電壓的情況下實(shí)現(xiàn)其所需的功能，但一些應(yīng)用顯著受益于“雙極性”電源的存在，即同時(shí)具有正負(fù)電壓軌的電源。 例如，負(fù)電壓允許正弦信號(hào)擴(kuò)展到零以上和零以下，就像理論上的正弦波一樣，并且高功率放大器采用雙極性電源時(shí)，不需要(可能昂貴的)隔直電容。