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負電壓的概念有時(shí)不如正電壓的概念直觀(guān)。也許這是因為許多低壓電子系統不使用負電壓電源，或者因為“負”電壓意味著(zhù)電源具有“小于零”的驅動(dòng)電流通過(guò)電路的能力。盡管可以在沒(méi)有負電壓的情況下設計和實(shí)現許多有用甚至高性能的設備，但理解負電壓是理解一般電壓的關(guān)鍵，大多數從事電子工作的人最終都會(huì )遇到需要負電壓電源的電路（圖1）。
電壓可以是負的嗎？
除了解釋負電壓的性質(zhì)外，本文還簡(jiǎn)要討論了負電壓是如何產(chǎn)生的，以及它們在電路設計中有用的原因。
負電壓的概念有時(shí)不如正電壓的概念直觀(guān)。也許這是因為許多低壓電子系統不使用負電壓電源，或者因為“負”電壓意味著(zhù)電源具有“小于零”的驅動(dòng)電流通過(guò)電路的能力。盡管可以在沒(méi)有負電壓的情況下設計和實(shí)現許多有用甚至高性能的設備，但理解負電壓是理解一般電壓的關(guān)鍵，大多數從事電子工作的人最終都會(huì )遇到需要負電壓電源的電路（圖1）。
同時(shí)使用正電壓和負電壓電源的 B 類(lèi)音頻放大器示意圖。
圖1.同時(shí)使用正負電壓電源的 B 類(lèi)音頻放大器示意圖。
電壓快速回顧
“電壓”這個(gè)詞現在在技術(shù)和日常語(yǔ)境中都很常見(jiàn)，所以偶爾提醒自己從科學(xué)的角度來(lái)看電壓到底是什么是個(gè)好主意。
電荷可以在世界上做功，功是用能量的科學(xué)概念來(lái)分析和量化的。如果帶電粒子通過(guò)電線(xiàn)移動(dòng)，例如導致電機旋轉，則它們具有能量并且正在積極做功。電壓是電能，但不是有功能量。在適當的情況下，電壓告訴我們帶電粒子做功的能力——換句話(huà)說(shuō)，電壓是勢能的一種形式。更具體地說(shuō)，它是每庫侖電荷的電勢能（以焦耳為單位）。
然而，這個(gè)定義仍然不完整，因為電壓不能孤立存在。當電荷開(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，我們必須將電壓測量為一個(gè)位置的勢能（每單位電荷）相對于其他位置的勢能（每單位電荷） . 因此，電壓始終是差分測量。當我們說(shuō)某個(gè)點(diǎn)的電路“處于五伏”時(shí)，我們真正的意思是相對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)有用的類(lèi)比。
圖 2.用于理解電壓的示例圖和水類(lèi)比。
什么是負電壓？
負電壓與正電壓沒(méi)有根本區別；兩者都代表相對于參考勢能的勢能。如果電路節點(diǎn)相對于參考節點(diǎn)處于正電壓，并且當我們將這兩個(gè)節點(diǎn)與導體連接時(shí)，常規電流將從正節點(diǎn)流向參考節點(diǎn)。如果負電壓的電路節點(diǎn)連接到參考節點(diǎn)，常規電流將從參考節點(diǎn)流向負節點(diǎn)。請記住，在低壓電子設計中，參考節點(diǎn)通常稱(chēng)為“接地”，但“電路公共”之類(lèi)的名稱(chēng)會(huì )更準確。
為了更好地理解這個(gè)概念，我認為高度類(lèi)比在這里會(huì )有所幫助。比方說(shuō)珠穆朗瑪峰有 29,032 英尺高，但孤立地報告時(shí)，這個(gè)數字實(shí)際上毫無(wú)意義。我們真正的意思是珠穆朗瑪峰海拔 29,032 英尺。海平面被定義為高度為零——即，它是參考高度。地球上最低的陸地高度，對應于死海表面，大約低于海平面 1,400 英尺，我們可以將其描述為負 1,400 英尺的高度。
正負高度之間的差異是它們相對于零高度參考點(diǎn)的位置，就像正電壓和負電壓之間的差異是它們相對于零伏參考節點(diǎn)的電氣“位置”一樣。如果我們使用馬里亞納海溝底部作為參考點(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)，則兩個(gè)高度都將為負值。同樣，我們可以通過(guò)生成新電壓并將其用作零伏參考點(diǎn)來(lái)將正電壓“改變”為負電壓，反之亦然。
高度比較特別貼切，因為重力的作用類(lèi)似于電勢能的作用。珠穆朗瑪峰上的球會(huì )滾向海平面，海平面上的球會(huì )滾向死海沿岸。類(lèi)似地，正電壓導致常規電流從正節點(diǎn)流向參考節點(diǎn)，而負電壓導致電流從參考節點(diǎn)流向負節點(diǎn)。
產(chǎn)生負電壓
基本電路通常以未穩壓電源開(kāi)始，例如，來(lái)自電池或壁式變壓器，使用線(xiàn)性穩壓器將其降至 5 V 或 3.3 V。我們不能使用這種方法產(chǎn)生負電壓——不是因為負電壓與正電壓根本不同，而是因為線(xiàn)性穩壓器通過(guò)耗散能量來(lái)發(fā)揮作用。要將正電壓轉換為負電壓，我們可以使用也存儲能量的穩壓器電路。
電容器和電感器是可以?xún)Υ婺芰康幕倦娮釉�，都可以用�?lái)產(chǎn)生負電壓�；陔娙萜鞯呢撾妷喊l(fā)生器屬于電源電路的“電荷泵”類(lèi)別，而基于電感器的負電壓發(fā)生器屬于“開(kāi)關(guān)模式”類(lèi)別�；陔姼衅鞯慕鉀Q方案，也稱(chēng)為DC/DC 轉換器和開(kāi)關(guān)電源，更為常見(jiàn)。
圖 3.顯示為兩個(gè)雙極結型晶體管 (BJT) 供電的正電壓和負電壓的示例圖可用于緩沖運算放大器的輸出電流。
盡管許多電子設備在沒(méi)有負電源電壓的情況下也能實(shí)現其所需的功能，但一些應用會(huì )從“雙極”電源（即具有正電壓軌和負電壓軌的電源）的存在中受益匪淺。例如，負電壓允許正弦信號在零以上和以下延伸，就像理論上的正弦信號一樣，并且具有雙極電源的高功率放大器不需要（可能很昂貴）隔直電容器。
而這個(gè)設計有其獨特意義所在。 |
