產(chǎn)生負(fù)電壓的方法主要取決于應(yīng)用的領(lǐng)域和具體需求。以下是一些常見(jiàn)的方法來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓：

1. 反相電路

在電子電路中，可以使用反相器件(比如操作放大器)來(lái)實(shí)現(xiàn)反相輸入信號(hào)，從而得到負(fù)電壓輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)電路中的元件參數(shù)和連接方式，可以產(chǎn)生所需的負(fù)電壓。

2. 電荷泵

電荷泵是一種電路結(jié)構(gòu)，利用開(kāi)關(guān)元件和電容器等器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移和積累，從而產(chǎn)生較高或較低的電壓。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)電荷泵電路，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生負(fù)電壓。

3. 開(kāi)關(guān)電源

在開(kāi)關(guān)電源中，采用逆變器將正直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓后，再通過(guò)整流、濾波等步驟，可以得到所需的正負(fù)輸出電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電源中的控制參數(shù)，可以產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。

4. DC-DC 變換器

DC-DC 變換器是一種能夠?qū)⒁粋€(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換成另一個(gè)不同電壓級(jí)別的電路。通過(guò)選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出輸出負(fù)電壓的 DC-DC 變換器。

5. 負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路

在某些設(shè)備或系統(tǒng)中，需要驅(qū)動(dòng)負(fù)載以產(chǎn)生負(fù)電壓。通過(guò)合適的電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的控制和調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生負(fù)電壓。

電子電路中，負(fù)電壓的產(chǎn)生往往需要特殊配置，但有一種利用運(yùn)算放大器和地線(xiàn)的簡(jiǎn)單方法，將運(yùn)算放大器配置為反相放大器，輸入端接地，通過(guò)調(diào)整電阻和電源電壓的參數(shù)，就能得到相對(duì)于地線(xiàn)的負(fù)輸出電壓。不過(guò)這只是負(fù)電壓產(chǎn)生的其中一種方式，實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)電壓的產(chǎn)生要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和電路設(shè)計(jì)來(lái)選擇合適的方法。

常見(jiàn)方法

常見(jiàn)的負(fù)電壓產(chǎn)生方法有不少，除了用運(yùn)算放大器這類(lèi)反相器件組成的反相電路，還有靠開(kāi)關(guān)元件和電容器轉(zhuǎn)移、積累電荷的電荷泵電路，設(shè)計(jì)得當(dāng)就能生成負(fù)電壓;開(kāi)關(guān)電源會(huì)先把正直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，再通過(guò)整流、濾波等步驟得到正負(fù)輸出電壓，調(diào)整控制參數(shù)就能得到負(fù)電壓;直流到直流變換器選對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，也能設(shè)計(jì)出輸出負(fù)電壓的電路;還有負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)合理設(shè)計(jì)控制負(fù)載，同樣能產(chǎn)生負(fù)電壓。

為什么要產(chǎn)生負(fù)電壓?

為什么要費(fèi)功夫產(chǎn)生負(fù)電壓呢?首先是為了避免電子積聚損壞設(shè)備。因?yàn)殡娮訋ж?fù)電，通常會(huì)向正電壓方向流動(dòng)，而使用負(fù)電壓時(shí)，過(guò)多的電子會(huì)聚集在電源的接地端，降低了電流聚集在測(cè)試設(shè)備上導(dǎo)致燒毀的風(fēng)險(xiǎn);其次，負(fù)電壓對(duì)微安級(jí)甚至更小的電信號(hào)測(cè)試有幫助，能提高電阻測(cè)試的精確度，增強(qiáng)抗電磁干擾的能力;另外，負(fù)電壓比正電壓更安全，比如電話(huà)系統(tǒng)普遍使用-48V供電，就是為了避免電話(huà)線(xiàn)被電化學(xué)腐蝕。

負(fù)電壓應(yīng)用場(chǎng)景

負(fù)電壓的應(yīng)用場(chǎng)景很廣。電信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)電源是-48V，能降低系統(tǒng)雜音、減少干擾;MOS管的柵極控制中，關(guān)斷時(shí)用負(fù)電壓能加快米勒效應(yīng)電容的放電;雙電源運(yùn)算放大器里，負(fù)電壓能根據(jù)輸入信號(hào)的特性，保證信號(hào)正常放大輸出。此外，電子設(shè)備的供電、信號(hào)傳輸，通信設(shè)備的信號(hào)幅度調(diào)節(jié)、波形改變，醫(yī)療設(shè)備的傳感器控制，實(shí)驗(yàn)室儀器的供電，航空航天領(lǐng)域的舵機(jī)、傳感器控制，都離不開(kāi)負(fù)電壓。

負(fù)電壓的本質(zhì)是相對(duì)于參考點(diǎn)電勢(shì)更低的電壓值，它具有電勢(shì)差，能驅(qū)動(dòng)電子器件、改變電路狀態(tài);能控制電路的特性和頻率響應(yīng);在信號(hào)處理中，能改變信號(hào)的幅度和頻譜;有些情況下還能降低系統(tǒng)功耗，提高能效。

不過(guò)負(fù)電壓也不是完美的：它的優(yōu)勢(shì)在于靈活，能通過(guò)調(diào)整大小和頻率精確控制電路特性;信號(hào)處理效果好，能改善信號(hào)質(zhì)量、提高系統(tǒng)性能;能控制功耗，延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間;還能維持電路穩(wěn)定，減少噪聲、提升工作效率。

但它也有限制。絕緣問(wèn)題不容忽視，負(fù)電壓與地的電位差較大，可能導(dǎo)致絕緣不良甚至擊穿，必須嚴(yán)格遵守安全規(guī)范;產(chǎn)生穩(wěn)定負(fù)電壓的電路和器件成本較高;負(fù)電壓信號(hào)可能引起電磁干擾，影響設(shè)備正常工作，需要重視電磁兼容性;設(shè)計(jì)起來(lái)也比較復(fù)雜，要考慮電路穩(wěn)定性、器件匹配、電源供應(yīng)等因素，設(shè)計(jì)不當(dāng)容易導(dǎo)致電路失效。

負(fù)電壓的概念有時(shí)不如正電壓的概念直觀(guān)，也許這是因?yàn)樵S多低壓電子系統(tǒng)不使用負(fù)電壓電源緣故，或者是因?yàn)椤柏?fù)”電壓意味著電源具有“小于零”的能力來(lái)驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電路。雖然許多有用的甚至高性能的器件可以在沒(méi)有負(fù)電壓的情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但了解負(fù)電壓是理解電壓的關(guān)鍵，大多數(shù)使用電子產(chǎn)品的人最終會(huì)遇到需要負(fù)電壓電源的電路。例如下圖：

什么是負(fù)電壓?

從概念上講，負(fù)電壓是一個(gè)物理學(xué)名詞，電壓的大小是相對(duì)于選擇的參考而言的，當(dāng)實(shí)際電壓低于比較電壓時(shí)，電壓值為負(fù)。然而負(fù)電壓與正電壓沒(méi)有根本區(qū)別，兩者都表示相對(duì)于參考電位的勢(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)我們用導(dǎo)線(xiàn)連接這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，常規(guī)電流將從正節(jié)點(diǎn)流向參考節(jié)點(diǎn)。如果將負(fù)電壓的電路節(jié)點(diǎn)連接到參考節(jié)點(diǎn)，則常規(guī)電流將從參考節(jié)點(diǎn)流向負(fù)節(jié)點(diǎn)。但我們必須要注意，在低壓電子設(shè)計(jì)中，參考節(jié)點(diǎn)通常稱(chēng)為“接地”，但把它比喻為“電路公共點(diǎn)”，這樣會(huì)更形象一點(diǎn)。

基本電路通常從未穩(wěn)壓電源開(kāi)始，例如來(lái)自電池或墻上變壓器的電源，使用線(xiàn)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)電壓與正電壓有根本的不同，而是因?yàn)榫€(xiàn)性穩(wěn)壓器通過(guò)耗散能量來(lái)發(fā)揮作用。為了將正電壓轉(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存儲(chǔ)能量的基本電子元件，都可用于產(chǎn)生負(fù)電壓?；陔娙萜鞯呢?fù)電壓發(fā)生器屬于電源電路的“電荷泵”類(lèi)別，基于電感的負(fù)電壓發(fā)生器屬于“開(kāi)關(guān)模式”類(lèi)別?；陔姼械慕鉀Q方案(也稱(chēng)為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源)更為常見(jiàn)。

雖然許多電子設(shè)備可以在沒(méi)有負(fù)電源電壓的情況下實(shí)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(shí)具有正負(fù)電壓軌的電源。例如，負(fù)電壓允許正弦信號(hào)擴(kuò)展到零以上和零以下，就像理論上的正弦波一樣，而具有雙極性電源的高功率放大器不需要(可能昂貴的)隔直電容。

在電子領(lǐng)域中，我們經(jīng)常聽(tīng)到正電壓和負(fù)電壓這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。負(fù)電壓是指電壓低于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓。本文將探討負(fù)電壓是如何產(chǎn)生的、其優(yōu)勢(shì)與限制。

負(fù)電壓的產(chǎn)生

反相器件：最簡(jiǎn)單的方法是使用反相器件(如晶體管、運(yùn)算放大器等)來(lái)實(shí)現(xiàn)電路輸出的反相，從而產(chǎn)生負(fù)電壓。

電源供應(yīng)設(shè)計(jì)：在電源設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)募軜?gòu)和配置產(chǎn)生負(fù)電壓輸出，以滿(mǎn)足特定設(shè)備或電路的需求。

電化學(xué)過(guò)程：在電化學(xué)反應(yīng)中，例如電池的充放電過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓現(xiàn)象。

負(fù)電壓的優(yōu)勢(shì)

信號(hào)處理：在某些情況下，需要負(fù)電壓來(lái)處理信號(hào)，例如在放大器電路中，負(fù)電壓可以改變信號(hào)的相位或增益。

電源設(shè)計(jì)：一些電子設(shè)備需要負(fù)電壓作為電源供應(yīng)，如LCD屏幕、音頻設(shè)備等，負(fù)電壓能夠滿(mǎn)足這些設(shè)備的工作需求。

電路設(shè)計(jì)：在某些電路設(shè)計(jì)中，負(fù)電壓可以改善電路性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

負(fù)電壓的限制

設(shè)計(jì)復(fù)雜性：生成負(fù)電壓的電路通常比正電壓復(fù)雜，需要額外的元件和設(shè)計(jì)考慮。

成本：產(chǎn)生和維護(hù)負(fù)電壓的成本可能較高，包括電路設(shè)計(jì)、元件成本和功耗等方面。

穩(wěn)定性問(wèn)題：有時(shí)負(fù)電壓的穩(wěn)定性不如正電壓，可能受到噪聲和波動(dòng)的影響。

應(yīng)用領(lǐng)域

醫(yī)療設(shè)備：在心臟起搏器、MRI掃描儀等醫(yī)療設(shè)備中，負(fù)電壓常用于電源供應(yīng)和信號(hào)處理。

通信設(shè)備：在通信設(shè)備中，負(fù)電壓用于驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)、放大信號(hào)等功能。

實(shí)驗(yàn)室儀器：實(shí)驗(yàn)室儀器中可能需要負(fù)電壓來(lái)提供適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)或驅(qū)動(dòng)特定功能。