了解负电压

　　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”电压意味着源具有“小于零”的驱动电流通过电路的能力。尽管许多有用的甚至高性能的设备可以在没有负电压的情况下设计和实现，但了解负电压是了解一般电压的关键，大多数使用电子产品的人终都会遇到需要负电压电源的电路（图1）。

　　图 1.同时使用正电压和负电压电源的 B 类音频放大器原理图。您可以在此处阅读有关该电路的更多信息。
　　电压快速回顾
　　“电压”这个词现在在技术和日常环境中都很常见，因此偶尔提醒自己从科学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，利用能量的科学概念对功进行分析和量化。如果带电粒子在电线中移动，例如导致电机旋转，它们就具有能量并积极做功。电压是电能，但它不是一种有源能量。电压告诉我们在适当的情况下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。当我们说在某个时刻，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而言为五伏。

　　为了帮助理解电压，图 2 显示了电路和电荷流的示例图，以及有用的水类比。

　　用于理解电压的示例图和水类比。
　　图 2.用于理解电压的示例图和水类比。请阅读《关于电路》教科书，了解有关电压和电流的更多信息。
　　什么是负电压？
　　负电压与正电压没有本质区别；两者都代表相对于参考电势的势能。如果电路节点相对于参考节点处于正电压，并且当我们用导体连接这两个节点时，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，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“接地”，但“电路公共点”之类的名称会更准确。
　　为了更好地理解这个概念，我认为海拔高度的类比在这里会有所帮助。假设珠穆朗玛峰高 29,032 英尺，但如果单独报道的话，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。海平面的定义是高度为零，即参考高度。地球上的陆地高度（相当于死海表面）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。
　　正高度和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将具有正高度。如果我们使用平流层的上边缘作为参考点，两个高度都将为负。同样，我们可以通过生成新电压并将其用作零伏参考点，将正电压“更改”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沿岸。类似地，正电压导致常规电流从正节点流到参考节点，负电压导致电流从参考节点流到负节点。
　　产生负电压
　　基本电路通常从未稳压的电源开始，例如来自电池或壁式变压器的电源，然后使用线性稳压器将其降至 5V 或 3.3V 。我们不能使用这种方法来产生负电压，不是因为负电压与正电压有本质上的不同，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，我们可以使用也可以存储能量的稳压电路。
　　电容器和电感器是可以存储能量的基本电子组件，并且两者都可用于产生负电压。基于电容器的负电压发电机属于功率供应电路的“电荷泵”类别，基于电感器的负电压发电机属于“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，这更为常见。

　　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。

　　图3.一个示例图显示了为两个双相连接晶体管（BJT）供电的正电压和负电压，可用于缓冲来自OP-AMP的输出电流。在此处了解有关此操作放大器的更多信息。
　　负电压应用和设计资源
　　尽管许多电子设备在没有负电源电压的情况下实现其所需的功能，但一些应用显着受益于“双极”电源的存在，即具有正电压轨和负电压轨的电源。例如，负电压允许正弦信号延伸到零以上和以下，就像理论上的正弦曲线一样，并且具有双极电源的高功率放大器不需要（可能昂贵的）隔直电容器。