電壓可以是負(fù)的嗎？了解負(fù)電壓

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，以及為什么它們在電路設(shè)計(jì)中有用。

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多低電壓電子系統(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。盡管許多有用甚至高性能的設(shè)備可以在沒有負(fù)電壓的情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但了解負(fù)電壓是了解一般電壓的關(guān)鍵，大多數(shù)從事電子工作的人最終會(huì)遇到需要負(fù)電壓電源的電路（圖1）。

同時(shí)使用正極和負(fù)極電源的B類音頻放大器的示意圖。

圖1：同時(shí)使用正極和負(fù)極電源的B類音頻放大器的示意圖。你可以在這里閱讀更多關(guān)于這個(gè)電路的信息。

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(gè)好主意。

電荷在世界上可以做功，利用科學(xué)的能量概念對功進(jìn)行分析和量化。如果帶電粒子通過電線移動(dòng)，例如，導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)，它們就有能量并積極做功。電壓是電能，但它不是一種活躍的能量。電壓告訴我們帶電粒子做功的能力，在適當(dāng)?shù)那闆r下——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（以焦耳為單位測量）。

然而，這個(gè)定義仍然是不完整的，因?yàn)殡妷翰荒芄铝⒌卮嬖?。?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，我們必須測量電壓，即一個(gè)位置的勢能（每單位電荷）相對于另一個(gè)地方的勢能（單位電荷）。因此，電壓總是一種差分測量。當(dāng)我們說在某個(gè)點(diǎn)上，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)有用的水類比。

示例圖和水的類比來理解電壓。

圖2：理解電壓的示例圖和水類比。閱讀更多關(guān)于電壓和電流的內(nèi)容，請參閱“關(guān)于電路”教材。

什么是負(fù)電壓？

負(fù)電壓與正電壓沒有本質(zhì)區(qū)別；兩者都表示相對于參考電勢的勢能。如果電路節(jié)點(diǎn)相對于參考節(jié)點(diǎn)處于正電壓，并且當(dāng)我們將這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)與導(dǎo)體連接時(shí)，常規(guī)電流將從正節(jié)點(diǎn)流到參考節(jié)點(diǎn)。如果負(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)流到負(fù)節(jié)點(diǎn)。請記住，在低壓電子設(shè)計(jì)中，參考節(jié)點(diǎn)通常被稱為“地”，但類似“電路公共”的節(jié)點(diǎn)會(huì)更準(zhǔn)確。

為了更好地理解這個(gè)概念，我認(rèn)為在這里用海拔來比喻會(huì)很有幫助。假設(shè)珠穆朗瑪峰有29032英尺高，但如果孤立報(bào)道，這個(gè)數(shù)字實(shí)際上毫無意義。我們真正的意思是，珠穆朗瑪峰的頂峰海拔29032英尺。海平面被定義為海拔為零——也就是說，它是參考海拔。地球上與死海表面相對應(yīng)的最低陸地海拔約為海平面以下1400英尺，我們可以將其描述為負(fù)1400英尺的海拔。

正海拔和負(fù)海拔之間的差是它們相對于零海拔參考點(diǎn)的位置，就像正電壓和負(fù)電壓之間的差就是它們相對于零伏參考節(jié)點(diǎn)的電氣“位置”一樣。如果我們用馬里亞納海溝的底部作為參考點(diǎn)，珠穆朗瑪峰和死海的海拔都會(huì)是正的。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(diǎn)，將正電壓“更改”為負(fù)電壓，反之亦然。

海拔比較特別合適，因?yàn)橹亓Φ淖饔妙愃朴趧菽艿淖饔?。珠穆朗瑪峰上的球?huì)滾向海平面，海平面上的球則會(huì)滾向死海岸邊。類似地，正電壓使常規(guī)電流從正節(jié)點(diǎn)流到參考節(jié)點(diǎn)，負(fù)電壓使電流從參考節(jié)點(diǎn)流到負(fù)節(jié)點(diǎn)。

產(chǎn)生負(fù)電壓

初級電路通常從未調(diào)節(jié)的電源開始，例如，來自電池或壁式變壓器的電源，使用線性調(diào)節(jié)器將其降低到5V或3.3V。我們不能用這種方法產(chǎn)生負(fù)電壓——不是因?yàn)樨?fù)電壓與正電壓有根本不同，而是因?yàn)榫€性調(diào)節(jié)器的功能是耗散能量。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調(diào)節(jié)器電路。

電容器和電感器是可以儲存能量的基本電子元件，兩者都可以用來產(chǎn)生負(fù)電壓?；陔娙萜鞯呢?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)電壓產(chǎn)生器屬于“開關(guān)模式”類別?；陔姼衅鞯慕鉀Q方案，也稱為DC/DC轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源，更為常見。

顯示為兩個(gè)雙極結(jié)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(yùn)算放大器的輸出電流。

圖3：顯示為兩個(gè)雙極結(jié)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(yùn)算放大器的輸出電流。在此處了解有關(guān)此運(yùn)算放大器緩沖的更多信息。

負(fù)電壓應(yīng)用和設(shè)計(jì)資源

盡管許多電子設(shè)備在沒有負(fù)電源電壓的情況下實(shí)現(xiàn)了其所需的功能，但一些應(yīng)用顯著受益于“雙極”電源的存在，即具有正電壓軌和負(fù)電壓軌的電源。例如，負(fù)電壓允許正弦信號在零度以上和零度以下延伸，就像理論正弦一樣，并且具有雙極電源的高功率放大器不需要（潛在昂貴的）直流阻塞電容器。