一文了解负电压

除了解释负电压的性质外，本文还简要讨论了负电压是如何产生的，以及为什么负电压在电路设计中很有用。

负电压的概念有时不如正电压的概念直观。 也许这是因为许多低压电子系统不使用负电压电源，或者因为“负”电压意味着电源具有“小于零”的驱动能力 当前通过电路。 虽然许多有用的甚至高性能的器件可以在没有负电压的情况下设计和实现，但了解负电压是 一般了解电压，大多数从事电子产品工作的人最终会遇到需要 负电压电源(图1)。

图1. 同时使用正负电压电源的B类音频放大器原理图。

电压快速回顾

“电压”这个词现在在技术和日常环境中都非常普遍，以至于从科学的角度来看，偶尔提醒自己电压到底是什么是个好主意。

电荷可以在世界上做功，并且使用能量的科学概念对功进行分析和量化。 如果带电粒子穿过导线，例如导致电机旋转，它们就有能量并且正在积极做功。 电压是电能，但它不是一种有源能量。
电压告诉我们容量 在适当的情况下，带电粒子做功——换句话说，电压是势能的一种形式。 更具体地说，它是每库仑电荷的电势能(以焦耳为单位)。

然而，这个定义仍然不完整，因为电压不能孤立存在。 当电荷开始做功时，它会从一个位置移动到另一个位置，同样，我们必须测量电压，作为一个位置相对于其他某个位置的势能(每单位电荷)的势能(每单位电荷)。 因此，电压始终是差分测量值。 当我们说在某个时候，电路“处于五伏”时，我们真正的意思是相对于电路假定的零伏参考点的五伏。

为了帮助理解电压，图2显示了电路和电荷流的示例图，以及一个有用的水类比。

图2. 用于理解电压的示例图和水类比。

什么是负电压?

负电压与正电压没有根本区别; 两者都表示相对于参考电位的势能。 如果电路节点相对于参考节点处于正电压，并且当我们用
导体，常规电流将从正节点流向参考节点。 如果将负电压的电路节点连接到参考节点，则常规电流将从参考节点流向负节点。 请记住，在低压电子设计中，参考节点通常称为”地“，但像”电路常见“这样的东西会更准确。

为了更好地理解这个概念，我认为高度类比在这里会有所帮助。 假设珠穆朗玛峰高29，032英尺，但单独报告时，这个数字实际上毫无意义。 我们真正的意思是珠穆朗玛峰的顶峰海拔29，032英尺。 海平面被定义为高度为零，即参考高度。 地球上最低的陆地高度，对应于死海表面，在海平面以下约1，400英尺，我们可以将其描述为负1，400英尺的高度。

正负高度之间的差异是它们相对于零高度参考点的位置，就像正电压和负电压之间的差异是它们相对于零伏参考节点的电“位置”一样。 如果我们使用马里亚纳海沟的底部作为参考点，珠穆朗玛峰和死海都会有正高度。 如果我们使用平流层的上边缘作为参考点，两个高度都将是负数。 同样，我们可以通过产生新电压并将其用作零伏参考点，将正电压“改变”为负电压，反之亦然。

高度比较特别合适，因为重力的影响类似于电势能的影响。 珠穆朗玛峰上的球会滚向海平面，海平面上的球会滚向死海岸边。 类似地，正电压导致常规电流从正节点流向参考节点，负电压导致电流从参考节点流向负节点。

产生负电压

基本电路通常以未稳压的电源开始，例如，来自电池或墙壁变压器，使用线性稳压器。。 我们不能使用这种方法产生负电压——不是因为负电压与正电压有根本的不同，而是因为线性稳压器通过耗散能量来发挥作用。 为了将正电压转换为负电压，我们可以使用也存储能量的稳压器电路。

电容器和电感是可以储存能量的基本电子元件，都可用于产生负电压。 基于电容器的负电压发生器属于”电荷泵“类别的电源电路，而基于电感的负电压发生器属于”开关模式“类别。 基于电感的解决方案，也称为直流/直流转换器和开关电源，更为常见。

图3. 示例图显示了为两个双极结型晶体管(BJT)供电的正负电压，可用于缓冲运算放大器的输出电流。

负电压应用和设计资源

虽然许多电子设备可以在没有负电源电压的情况下实现其所需的功能，但一些应用显著受益于“双极性”电源的存在，即同时具有正负电压轨的电源。 例如，负电压允许正弦信号扩展到零以上和零以下，就像理论上的正弦波一样，并且高功率放大器采用双极性电源时，不需要(可能昂贵的)隔直电容。