電壓可以是負的嗎？

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”的驅動電流通過電路的能力。

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”的驅動電流通過電路的能力。盡管可以在沒有負電壓的情況下設計和實現(xiàn)許多有用甚至高性能的設備，但理解負電壓是理解一般電壓的關鍵，大多數(shù)從事電子工作的人最終都會遇到需要負電壓電源的電路（圖1）。

電壓可以是負的嗎？

除了解釋負電壓的性質外，本文還簡要討論了負電壓是如何產(chǎn)生的，以及它們在電路設計中有用的原因。

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”的驅動電流通過電路的能力。盡管可以在沒有負電壓的情況下設計和實現(xiàn)許多有用甚至高性能的設備，但理解負電壓是理解一般電壓的關鍵，大多數(shù)從事電子工作的人最終都會遇到需要負電壓電源的電路（圖1）。

同時使用正電壓和負電壓電源的 B 類音頻放大器示意圖。

圖1.同時使用正負電壓電源的 B 類音頻放大器示意圖。

電壓快速回顧

“電壓”這個詞現(xiàn)在在技術和日常語境中都很常見，所以偶爾提醒自己從科學的角度來看電壓到底是什么是個好主意。

電荷可以在世界上做功，功是用能量的科學概念來分析和量化的。如果帶電粒子通過電線移動，例如導致電機旋轉，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?shù)那闆r下，電壓告訴我們帶電粒子做功的能力——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，我們必須將電壓測量為一個位置的勢能（每單位電荷）相對于其他位置的勢能（每單位電荷） . 因此，電壓始終是差分測量。當我們說某個點的電路“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；兩者都代表相對于參考勢能的勢能。如果電路節(jié)點相對于參考節(jié)點處于正電壓，并且當我們將這兩個節(jié)點與導體連接時，常規(guī)電流將從正節(jié)點流向參考節(jié)點。如果負電壓的電路節(jié)點連接到參考節(jié)點，常規(guī)電流將從參考節(jié)點流向負節(jié)點。請記住，在低壓電子設計中，參考節(jié)點通常稱為“接地”，但“電路公共”之類的名稱會更準確。

為了更好地理解這個概念，我認為高度類比在這里會有所幫助。比方說珠穆朗瑪峰有 29,032 英尺高，但孤立地報告時，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，對應于死海表面，大約低于海平面 1,400 英尺，我們可以將其描述為負 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)點的電氣“位置”一樣。如果我們使用馬里亞納海溝底部作為參考點，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，則兩個高度都將為負值。同樣，我們可以通過生成新電壓并將其用作零伏參考點來將正電壓“改變”為負電壓，反之亦然。

高度比較特別貼切，因為重力的作用類似于電勢能的作用。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沿岸。類似地，正電壓導致常規(guī)電流從正節(jié)點流向參考節(jié)點，而負電壓導致電流從參考節(jié)點流向負節(jié)點。

產(chǎn)生負電壓

基本電路通常以未穩(wěn)壓電源開始，例如，來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)生負電壓——不是因為負電壓與正電壓根本不同，而是因為線性穩(wěn)壓器通過耗散能量來發(fā)揮作用。要將正電壓轉換為負電壓，我們可以使用也存儲能量的穩(wěn)壓器電路。

電容器和電感器是可以儲存能量的基本電子元件，都可以用來產(chǎn)生負電壓?；陔娙萜鞯呢撾妷喊l(fā)生器屬于電源電路的“電荷泵”類別，而基于電感器的負電壓發(fā)生器屬于“開關模式”類別?；陔姼衅鞯慕鉀Q方案，也稱為DC/DC 轉換器和開關電源，更為常見。

圖 3.顯示為兩個雙極結型晶體管 (BJT) 供電的正電壓和負電壓的示例圖可用于緩沖運算放大器的輸出電流。

盡管許多電子設備在沒有負電源電壓的情況下也能實現(xiàn)其所需的功能，但一些應用會從“雙極”電源（即具有正電壓軌和負電壓軌的電源）的存在中受益匪淺。例如，負電壓允許正弦信號在零以上和以下延伸，就像理論上的正弦信號一樣，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。

而這個設計有其獨特意義所在。