電壓可以是負(fù)的嗎？

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”的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電路的能力。盡管可以在沒(méi)有負(fù)電壓的情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)許多有用甚至高性能的設(shè)備，但理解負(fù)電壓是理解一般電壓的關(guān)鍵，大多數(shù)從事電子工作的人最終都會(huì)遇到需要負(fù)電壓電源的電路（圖1）。

電壓可以是負(fù)的嗎？

除了解釋負(fù)電壓的性質(zhì)外，本文還簡(jiǎn)要討論了負(fù)電壓是如何產(chǎn)生的，以及它們?cè)?a target="_blank">電路設(shè)計(jì)中有用的原因。

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”的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電路的能力。盡管可以在沒(méi)有負(fù)電壓的情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)許多有用甚至高性能的設(shè)備，但理解負(fù)電壓是理解一般電壓的關(guān)鍵，大多數(shù)從事電子工作的人最終都會(huì)遇到需要負(fù)電壓電源的電路（圖1）。

同時(shí)使用正電壓和負(fù)電壓電源的 B 類(lèi)音頻放大器示意圖。

圖1.同時(shí)使用正負(fù)電壓電源的 B 類(lèi)音頻放大器示意圖。

電壓快速回顧

“電壓”這個(gè)詞現(xiàn)在在技術(shù)和日常語(yǔ)境中都很常見(jiàn)，所以偶爾提醒自己從科學(xué)的角度來(lái)看電壓到底是什么是個(gè)好主意。

電荷可以在世界上做功，功是用能量的科學(xué)概念來(lái)分析和量化的。如果帶電粒子通過(guò)電線移動(dòng)，例如導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)，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(dāng)?shù)那闆r下，電壓告訴我們帶電粒子做功的能力——換句話說(shuō)，電壓是勢(shì)能的一種形式。更具體地說(shuō)，它是每庫(kù)侖電荷的電勢(shì)能（以焦耳為單位）。

然而，這個(gè)定義仍然不完整，因?yàn)殡妷翰荒芄铝⒋嬖?。?dāng)電荷開(kāi)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，我們必須將電壓測(cè)量為一個(gè)位置的勢(shì)能（每單位電荷）相對(duì)于其他位置的勢(shì)能（每單位電荷） . 因此，電壓始終是差分測(cè)量。當(dāng)我們說(shuō)某個(gè)點(diǎn)的電路“處于五伏”時(shí)，我們真正的意思是相對(duì)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)有用的類(lèi)比。

圖 2.用于理解電壓的示例圖和水類(lèi)比。

什么是負(fù)電壓？

負(fù)電壓與正電壓沒(méi)有根本區(qū)別；兩者都代表相對(duì)于參考勢(shì)能的勢(shì)能。如果電路節(jié)點(diǎn)相對(duì)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)流向參考節(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)，常規(guī)電流將從參考節(jié)點(diǎn)流向負(fù)節(jié)點(diǎn)。請(qǐng)記住，在低壓電子設(shè)計(jì)中，參考節(jié)點(diǎn)通常稱為“接地”，但“電路公共”之類(lèi)的名稱會(huì)更準(zhǔn)確。

為了更好地理解這個(gè)概念，我認(rèn)為高度類(lèi)比在這里會(huì)有所幫助。比方說(shuō)珠穆朗瑪峰有 29,032 英尺高，但孤立地報(bào)告時(shí)，這個(gè)數(shù)字實(shí)際上毫無(wú)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(duì)應(yīng)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(fù) 1,400 英尺的高度。

正負(fù)高度之間的差異是它們相對(duì)于零高度參考點(diǎn)的位置，就像正電壓和負(fù)電壓之間的差異是它們相對(duì)于零伏參考節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，珠穆朗瑪峰和死海都會(huì)有正高度。如果我們使用平流層的上邊緣作為參考點(diǎn)，則兩個(gè)高度都將為負(fù)值。同樣，我們可以通過(guò)生成新電壓并將其用作零伏參考點(diǎn)來(lái)將正電壓“改變”為負(fù)電壓，反之亦然。

高度比較特別貼切，因?yàn)橹亓Φ淖饔妙?lèi)似于電勢(shì)能的作用。珠穆朗瑪峰上的球會(huì)滾向海平面，海平面上的球會(huì)滾向死海沿岸。類(lèi)似地，正電壓導(dǎo)致常規(guī)電流從正節(jié)點(diǎn)流向參考節(jié)點(diǎn)，而負(fù)電壓導(dǎo)致電流從參考節(jié)點(diǎn)流向負(fù)節(jié)點(diǎn)。

產(chǎn)生負(fù)電壓

基本電路通常以未穩(wěn)壓電源開(kāi)始，例如，來(lái)自電池或壁式變壓器，使用線性穩(wěn)壓器將其降至 5 V 或 3.3 V。我們不能使用這種方法產(chǎn)生負(fù)電壓——不是因?yàn)樨?fù)電壓與正電壓根本不同，而是因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器通過(guò)耗散能量來(lái)發(fā)揮作用。要將正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓，我們可以使用也存儲(chǔ)能量的穩(wěn)壓器電路。

電容器和電感器是可以儲(chǔ)存能量的基本電子元件，都可以用來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓?；?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容器的負(fù)電壓發(fā)生器屬于電源電路的“電荷泵”類(lèi)別，而基于電感器的負(fù)電壓發(fā)生器屬于“開(kāi)關(guān)模式”類(lèi)別?；陔姼衅鞯慕鉀Q方案，也稱為DC/DC 轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源，更為常見(jiàn)。

圖 3.顯示為兩個(gè)雙極結(jié)型晶體管 (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。

盡管許多電子設(shè)備在沒(méi)有負(fù)電源電壓的情況下也能實(shí)現(xiàn)其所需的功能，但一些應(yīng)用會(huì)從“雙極”電源（即具有正電壓軌和負(fù)電壓軌的電源）的存在中受益匪淺。例如，負(fù)電壓允許正弦信號(hào)在零以上和以下延伸，就像理論上的正弦信號(hào)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(gè)設(shè)計(jì)有其獨(dú)特意義所在。