【導(dǎo)讀】負(fù)電壓的概念有時不如正電壓的概念直觀。也許這是因為許多低壓電子系統(tǒng)不使用負(fù)電壓電源，或者因為“負(fù)”電壓意味著電源具有“小于零”的驅(qū)動電流通過電路的能力。
負(fù)電壓的概念有時不如正電壓的概念直觀。也許這是因為許多低壓電子系統(tǒng)不使用負(fù)電壓電源，或者因為“負(fù)”電壓意味著電源具有“小于零”的驅(qū)動電流通過電路的能力。盡管可以在沒有負(fù)電壓的情況下設(shè)計和實現(xiàn)許多有用甚至高性能的設(shè)備，但理解負(fù)電壓是理解一般電壓的關(guān)鍵，大多數(shù)從事電子工作的人最終都會遇到需要負(fù)電壓電源的電路（圖1）。
電壓可以是負(fù)的嗎？
除了解釋負(fù)電壓的性質(zhì)外，本文還簡要討論了負(fù)電壓是如何產(chǎn)生的，以及它們在電路設(shè)計中有用的原因。
負(fù)電壓的概念有時不如正電壓的概念直觀。也許這是因為許多低壓電子系統(tǒng)不使用負(fù)電壓電源，或者因為“負(fù)”電壓意味著電源具有“小于零”的驅(qū)動電流通過電路的能力。盡管可以在沒有負(fù)電壓的情況下設(shè)計和實現(xiàn)許多有用甚至高性能的設(shè)備，但理解負(fù)電壓是理解一般電壓的關(guān)鍵，大多數(shù)從事電子工作的人最終都會遇到需要負(fù)電壓電源的電路（圖1）。
同時使用正電壓和負(fù)電壓電源的 B 類音頻放大器示意圖。
圖1.同時使用正負(fù)電壓電源的 B 類音頻放大器示意圖。
電壓快速回顧
“電壓”這個詞現(xiàn)在在技術(shù)和日常語境中都很常見，所以偶爾提醒自己從科學(xué)的角度來看電壓到底是什么是個好主意。
電荷可以在世界上做功，功是用能量的科學(xué)概念來分析和量化的。如果帶電粒子通過電線移動，例如導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)，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(dāng)?shù)那闆r下，電壓告訴我們帶電粒子做功的能力——換句話說，電壓是勢能的一種形式。更具體地說，它是每庫侖電荷的電勢能（以焦耳為單位）。
然而，這個定義仍然不完整，因為電壓不能孤立存在。當(dāng)電荷開始做功時，它會從一個位置移動到另一個位置，同樣，我們必須將電壓測量為一個位置的勢能（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(dāng)我們說某個點的電路“處于五伏”時，我們真正的意思是相對于電路假定的零伏參考點的五伏。
為了幫助理解電壓，圖2 顯示了電路和電荷流的示例圖，以及一個有用的類比。
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；兩者都代表相對于參考勢能的勢能。如果電路節(jié)點相對于參考節(jié)點處于正電壓，并且當(dāng)我們將這兩個節(jié)點與導(dǎo)體連接時，常規(guī)電流將從正節(jié)點流向參考節(jié)點。如果負(fù)電壓的電路節(jié)點連接到參考節(jié)點，常規(guī)電流將從參考節(jié)點流向負(fù)節(jié)點。請記住，在低壓電子設(shè)計中，參考節(jié)點通常稱為“接地”，但“電路公共”之類的名稱會更準(zhǔn)確。
為了更好地理解這個概念，我認(rèn)為高度類比在這里會有所幫助。比方說珠穆朗瑪峰有 29,032 英尺高，但孤立地報告時，這個數(shù)字實際上毫無意義。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(yīng)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(fù) 1,400 英尺的高度。
正負(fù)高度之間的差異是它們相對于零高度參考點的位置，就像正電壓和負(fù)電壓之間的差異是它們相對于零伏參考節(jié)點的電氣“位置”一樣。如果我們使用馬里亞納海溝底部作為參考點，珠穆朗瑪峰和死海都會有正高度。如果我們使用平流層的上邊緣作為參考點，則兩個高度都將為負(fù)值。同樣，我們可以通過生成新電壓并將其用作零伏參考點來將正電壓“改變”為負(fù)電壓，反之亦然。
高度比較特別貼切，因為重力的作用類似于電勢能的作用。珠穆朗瑪峰上的球會滾向海平面，海平面上的球會滾向死海沿岸。類似地，正電壓導(dǎo)致常規(guī)電流從正節(jié)點流向參考節(jié)點，而負(fù)電壓導(dǎo)致電流從參考節(jié)點流向負(fù)節(jié)點。
產(chǎn)生負(fù)電壓
基本電路通常以未穩(wěn)壓電源開始，例如，來自電池或壁式變壓器，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——不是因為負(fù)電壓與正電壓根本不同，而是因為線性穩(wěn)壓器通過耗散能量來發(fā)揮作用。要將正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓，我們可以使用也存儲能量的穩(wěn)壓器電路。
電容器和電感器是可以儲存能量的基本電子元件，都可以用來產(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，而基于電感器的負(fù)電壓發(fā)生器屬于“開關(guān)模式”類別。基于電感器的解決方案，也稱為DC/DC 轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源，更為常見。
圖 3.顯示為兩個雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 供電的正電壓和負(fù)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(shè)備在沒有負(fù)電源電壓的情況下也能實現(xiàn)其所需的功能，但一些應(yīng)用會從“雙極”電源（即具有正電壓軌和負(fù)電壓軌的電源）的存在中受益匪淺。例如，負(fù)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。
而這個設(shè)計有其獨特意義所在。
免責(zé)聲明：本文為轉(zhuǎn)載文章，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
第十一屆中國電子信息博覽會創(chuàng)新評獎專家評審工作順利完成 看獎項花落誰家
CITE2023系列高端論壇重磅來襲，強(qiáng)勢聚焦中國電子信息產(chǎn)業(yè)
了解用于模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器的單傳輸對串行通信的新 JESD204 標(biāo)準(zhǔn)
