除了解釋負電壓的性質(zhì)外，本文還簡要討論了負電壓是如何產(chǎn)生的，以及為什么負電壓在電路設(shè)計中很有用。

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(tǒng)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(qū)動能力 當(dāng)前通過電路。 雖然許多有用的甚至高性能的器件可以在沒有負電壓的情況下設(shè)計和實現(xiàn)，但了解負電壓是 一般了解電壓，大多數(shù)從事電子產(chǎn)品工作的人最終會遇到需要 負電壓電源(圖1)。

圖1. 同時使用正負電壓電源的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)概念對功進行分析和量化。 如果帶電粒子穿過導(dǎo)線，例如導(dǎo)致電機旋轉(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?nèi)萘?在適當(dāng)?shù)那闆r下，帶電粒子做功——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，我們必須測量電壓，作為一個位置相對于其他某個位置的勢能(每單位電荷)的勢能(每單位電荷)。 因此，電壓始終是差分測量值。 當(dāng)我們說在某個時候，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，以及一個有用的水類比。

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(qū)別; 兩者都表示相對于參考電位的勢能。 如果電路節(jié)點相對于參考節(jié)點處于正電壓，并且當(dāng)我們用
導(dǎo)體，常規(guī)電流將從正節(jié)點流向參考節(jié)點。 如果將負電壓的電路節(jié)點連接到參考節(jié)點，則常規(guī)電流將從參考節(jié)點流向負節(jié)點。 請記住，在低壓電子設(shè)計中，參考節(jié)點通常稱為”地“，但像”電路常見“這樣的東西會更準(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。 假設(shè)珠穆朗瑪峰高29，032英尺，但單獨報告時，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(jié)點的電“位置”一樣。 如果我們使用馬里亞納海溝的底部作為參考點，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，兩個高度都將是負數(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，將正電壓“改變”為負電壓，反之亦然。

高度比較特別合適，因為重力的影響類似于電勢能的影響。 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岸邊。 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，負電壓導(dǎo)致電流從參考節(jié)點流向負節(jié)點。

產(chǎn)生負電壓

基本電路通常以未穩(wěn)壓的電源開始，例如，來自電池或墻壁變壓器，使用線性穩(wěn)壓器。。 我們不能使用這種方法產(chǎn)生負電壓——不是因為負電壓與正電壓有根本的不同，而是因為線性穩(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。

電容器和電感是可以儲存能量的基本電子元件，都可用于產(chǎn)生負電壓。 基于電容器的負電壓發(fā)生器屬于”電荷泵“類別的電源電路，而基于電感的負電壓發(fā)生器屬于”開關(guān)模式“類別。 基于電感的解決方案，也稱為直流/直流轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源，更為常見。

圖3. 示例圖顯示了為兩個雙極結(jié)型晶體管(BJT)供電的正負電壓，可用于緩沖運算放大器的輸出電流。

負電壓應(yīng)用和設(shè)計資源

雖然許多電子設(shè)備可以在沒有負電源電壓的情況下實現(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，即同時具有正負電壓軌的電源。 例如，負電壓允許正弦信號擴展到零以上和零以下，就像理論上的正弦波一樣，并且高功率放大器采用雙極性電源時，不需要(可能昂貴的)隔直電容。