【導讀】負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不使用負電壓電源，或者因為“負”電壓意味著電源具有“小于零”的驅動電流通過電路的能力。
負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不使用負電壓電源，或者因為“負”電壓意味著電源具有“小于零”的驅動電流通過電路的能力。盡管可以在沒有負電壓的情況下設計和實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鍵，大多數從事電子工作的人最終都會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外，本文還簡要討論了負電壓是如何產生的，以及它們在電路設計中有用的原因。
負電壓的概念有時不如正電壓的概念直觀。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”電壓意味著電源具有“小于零”的驅動電流通過電路的能力。盡管可以在沒有負電壓的情況下設計和實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鍵，大多數從事電子工作的人最終都會遇到需要負電壓電源的電路（圖1）。
同時使用正電壓和負電壓電源的 B 類音頻放大器示意圖。
圖1.同時使用正負電壓電源的 B 類音頻放大器示意圖。
電壓快速回顧
“電壓”這個詞現在在技術和日常語境中都很常見，所以偶爾提醒自己從科學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，功是用能量的科學概念來分析和量化的。如果帶電粒子通過電線移動，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。
什么是負電壓？
負電壓與正電壓沒有根本區別；兩者都代表相對于參考勢能的勢能。如果電路節點相對于參考節點處于正電壓，并且當我們將這兩個節點與導體連接時，常規電流將從正節點流向參考節點。如果負電壓的電路節點連接到參考節點，常規電流將從參考節點流向負節點。請記住，在低壓電子設計中，參考節點通常稱為“接地”，但“電路公共”之類的名稱會更準確。
為了更好地理解這個概念，我認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，正電壓導致常規電流從正節點流向參考節點，而負電壓導致電流從參考節點流向負節點。
產生負電壓
基本電路通常以未穩壓電源開始，例如，來自電池或壁式變壓器，使用線性穩壓器將其降至 5 V 或 3.3 V。我們不能使用這種方法產生負電壓——不是因為負電壓與正電壓根本不同，而是因為線性穩壓器通過耗散能量來發揮作用。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儲存能量的基本電子元件，都可以用來產生負電壓。基于電容器的負電壓發生器屬于電源電路的“電荷泵”類別，而基于電感器的負電壓發生器屬于“開關模式”類別。基于電感器的解決方案，也稱為DC/DC 轉換器和開關電源，更為常見。
圖 3.顯示為兩個雙極結型晶體管 (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有負電源電壓的情況下也能實現其所需的功能，但一些應用會從“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。
而這個設計有其獨特意義所在。
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