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”的能力來驅(qū)動(dòng)電流通過電路。雖然許多有用的甚至高性能的器件可以在沒有負(fù)電壓的情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但了解負(fù)電壓是理解電壓的關(guān)鍵，大多數(shù)使用電子產(chǎn)品的人最終會(huì)遇到需要負(fù)電壓電源的電路（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?cè)谶m當(dāng)?shù)那闆r下，帶電粒子做功的能力——換句話說，電壓是勢(shì)能的一種形式。更具體地說，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?。?dāng)電荷開始做功時(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)體連接這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，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“接地”，但像“電路公共”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

基本電路通常從未穩(wěn)壓電源開始，例如來自電池或墻上變壓器的電源，使用線性穩(wěn)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(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)壓器通過耗散能量來發(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。

電容器和電感器是可以存儲(chǔ)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)生器屬于電源電路的“電荷泵”類別，基于電感的負(fù)電壓發(fā)生器屬于“開關(guān)模式”類別。基于電感的解決方案（也稱為

DC/DC 轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源）更為常見。

***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，而具有雙極性電源的高功率放大器不需要（可能昂貴的）隔直電容。