负电压是如何产生的，负电压在电路设计中的应用

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”的驱动电流通过电路的能力。尽管可以在没有负电压的情况下设计和实现许多有用甚至高性能的设备，但理解负电压是理解一般电压的关键，大多数从事电子工作的人最终都会遇到需要负电压电源的电路（图1）。

电压可以是负的吗？

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，以及它们在电路设计中有用的原因。

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”的驱动电流通过电路的能力。尽管可以在没有负电压的情况下设计和实现许多有用甚至高性能的设备，但理解负电压是理解一般电压的关键，大多数从事电子工作的人最终都会遇到需要负电压电源的电路（图1）。

同时使用正电压和负电压电源的 B 类音频放大器示意图。

图1.同时使用正负电压电源的 B 类音频放大器示意图。

电压快速回顾

“电压”这个词现在在技术和日常语境中都很常见，所以偶尔提醒自己从科学的角度来看电压到底是什么是个好主意。

电荷可以在世界上做功，功是用能量的科学概念来分析和量化的。如果带电粒子通过电线移动，例如导致电机旋转，则它们具有能量并且正在积极做功。电压是电能，但不是有功能量。在适当的情况下，电压告诉我们带电粒子做功的能力——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，我们必须将电压测量为一个位置的势能（每单位电荷）相对于其他位置的势能（每单位电荷） . 因此，电压始终是差分测量。当我们说某个点的电路“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；两者都代表相对于参考势能的势能。如果电路节点相对于参考节点处于正电压，并且当我们将这两个节点与导体连接时，常规电流将从正节点流向参考节点。如果负电压的电路节点连接到参考节点，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“接地”，但“电路公共”之类的名称会更准确。

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。比方说珠穆朗玛峰有 29,032 英尺高，但孤立地报告时，这个数字实际上毫无意义。我们真正的意思是珠穆朗玛峰海拔 29,032 英尺。海平面被定义为高度为零——即，它是参考高度。地球上最低的陆地高度，对应于死海表面，大约低于海平面 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气“位置”一样。如果我们使用马里亚纳海沟底部作为参考点，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，则两个高度都将为负值。同样，我们可以通过生成新电压并将其用作零伏参考点来将正电压“改变”为负电压，反之亦然。

高度比较特别贴切，因为重力的作用类似于电势能的作用。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沿岸。类似地，正电压导致常规电流从正节点流向参考节点，而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电源开始，例如，来自电池或壁式变压器，使用线性稳压器将其降至 5 V 或 3.3 V。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根本不同，而是因为线性稳压器通过耗散能量来发挥作用。要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。

电容器和电感器是可以储存能量的基本电子元件，都可以用来产生负电压。基于电容器的负电压发生器属于电源电路的“电荷泵”类别，而基于电感器的负电压发生器属于“开关模式”类别。基于电感器的解决方案，也称为DC/DC 转换器和开关电源，更为常见。

图 3.显示为两个双极结型晶体管 (BJT) 供电的正电压和负电压的示例图可用于缓冲运算放大器的输出电流。

尽管许多电子设备在没有负电源电压的情况下也能实现其所需的功能，但一些应用会从“双极”电源（即具有正电压轨和负电压轨的电源）的存在中受益匪浅。例如，负电压允许正弦信号在零以上和以下延伸，就像理论上的正弦信号一样，并且具有双极电源的高功率放大器不需要（可能很昂贵）隔直电容器。

编辑：黄飞