详解负电压是怎么产生的

产生负电压的方法主要取决于应用的领域和具体需求。以下是一些常见的方法来产生负电压：

1. 反相电路

在电子电路中，可以使用反相器件(比如操作放大器)来实现反相输入信号，从而得到负电压输出。通过调节电路中的元件参数和连接方式，可以产生所需的负电压。

2. 电荷泵

电荷泵是一种电路结构，利用开关元件和电容器等器件来实现电荷的转移和积累，从而产生较高或较低的电压。通过适当设计电荷泵电路，可以实现产生负电压。

3. 开关电源

在开关电源中，采用逆变器将正直流电压转换为交流电压后，再通过整流、滤波等步骤，可以得到所需的正负输出电压。通过调节开关电源中的控制参数，可以产生负输出电压。

4. DC-DC 变换器

DC-DC 变换器是一种能够将一个直流电压转换成另一个不同电压级别的电路。通过选择合适的拓扑结构和参数，可以设计出输出负电压的 DC-DC 变换器。

5. 负载驱动电路

在某些设备或系统中，需要驱动负载以产生负电压。通过合适的电路设计，可以实现对负载的控制和调节，从而产生负电压。

电子电路中，负电压的产生往往需要特殊配置，但有一种利用运算放大器和地线的简单方法，将运算放大器配置为反相放大器，输入端接地，通过调整电阻和电源电压的参数，就能得到相对于地线的负输出电压。不过这只是负电压产生的其中一种方式，实际应用中，负电压的产生要根据具体的应用场景和电路设计来选择合适的方法。

常见方法

常见的负电压产生方法有不少，除了用运算放大器这类反相器件组成的反相电路，还有靠开关元件和电容器转移、积累电荷的电荷泵电路，设计得当就能生成负电压;开关电源会先把正直流电压转换成交流电压，再通过整流、滤波等步骤得到正负输出电压，调整控制参数就能得到负电压;直流到直流变换器选对拓扑结构和参数，也能设计出输出负电压的电路;还有负载驱动电路，通过合理设计控制负载，同样能产生负电压。

为什么要产生负电压?

为什么要费功夫产生负电压呢?首先是为了避免电子积聚损坏设备。因为电子带负电，通常会向正电压方向流动，而使用负电压时，过多的电子会聚集在电源的接地端，降低了电流聚集在测试设备上导致烧毁的风险;其次，负电压对微安级甚至更小的电信号测试有帮助，能提高电阻测试的精确度，增强抗电磁干扰的能力;另外，负电压比正电压更安全，比如电话系统普遍使用-48V供电，就是为了避免电话线被电化学腐蚀。

负电压应用场景

负电压的应用场景很广。电信行业的标准电源是-48V，能降低系统杂音、减少干扰;MOS管的栅极控制中，关断时用负电压能加快米勒效应电容的放电;双电源运算放大器里，负电压能根据输入信号的特性，保证信号正常放大输出。此外，电子设备的供电、信号传输，通信设备的信号幅度调节、波形改变，医疗设备的传感器控制，实验室仪器的供电，航空航天领域的舵机、传感器控制，都离不开负电压。

负电压的本质是相对于参考点电势更低的电压值，它具有电势差，能驱动电子器件、改变电路状态;能控制电路的特性和频率响应;在信号处理中，能改变信号的幅度和频谱;有些情况下还能降低系统功耗，提高能效。

不过负电压也不是完美的：它的优势在于灵活，能通过调整大小和频率精确控制电路特性;信号处理效果好，能改善信号质量、提高系统性能;能控制功耗，延长设备运行时间;还能维持电路稳定，减少噪声、提升工作效率。

但它也有限制。绝缘问题不容忽视，负电压与地的电位差较大，可能导致绝缘不良甚至击穿，必须严格遵守安全规范;产生稳定负电压的电路和器件成本较高;负电压信号可能引起电磁干扰，影响设备正常工作，需要重视电磁兼容性;设计起来也比较复杂，要考虑电路稳定性、器件匹配、电源供应等因素，设计不当容易导致电路失效。

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缘故，或者是因为“负”电压意味着电源具有“小于零”的能力来驱动电流通过电路。虽然许多有用的甚至高性能的器件可以在没有负电压的情况下设计和实现，但了解负电压是理解电压的关键，大多数使用电子产品的人最终会遇到需要负电压电源的电路。例如下图：

什么是负电压?

从概念上讲，负电压是一个物理学名词，电压的大小是相对于选择的参考而言的，当实际电压低于比较电压时，电压值为负。然而负电压与正电压没有根本区别，两者都表示相对于参考电位的势能。如果电路节点相对于参考节点处于正电压，并且当我们用导线连接这两个节点时，常规电流将从正节点流向参考节点。如果将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。但我们必须要注意，在低压电子设计中，参考节点通常称为“接地”，但把它比喻为“电路公共点”，这样会更形象一点。

基本电路通常从未稳压电源开始，例如来自电池或墙上变压器的电源，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有根本的不同，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，我们可以使用也存储能量的稳压器电路。

电容器和电感器是可以存储能量的基本电子元件，都可用于产生负电压。基于电容器的负电压发生器属于电源电路的“电荷泵”类别，基于电感的负电压发生器属于“开关模式”类别。基于电感的解决方案(也称为 DC/DC 转换器和开关电源)更为常见。

虽然许多电子设备可以在没有负电源电压的情况下实现其所需的功能，但一些应用显著受益于“双极性”电源的存在，即同时具有正负电压轨的电源。例如，负电压允许正弦信号扩展到零以上和零以下，就像理论上的正弦波一样，而具有双极性电源的高功率放大器不需要(可能昂贵的)隔直电容。

在电子领域中，我们经常听到正电压和负电压这两个术语。负电压是指电压低于某个基准点的电压。本文将探讨负电压是如何产生的、其优势与限制。

负电压的产生

反相器件：最简单的方法是使用反相器件(如晶体管、运算放大器等)来实现电路输出的反相，从而产生负电压。

电源供应设计：在电源设计中，可以通过适当的架构和配置产生负电压输出，以满足特定设备或电路的需求。

电化学过程：在电化学反应中，例如电池的充放电过程中，也会出现负电压现象。

负电压的优势

信号处理：在某些情况下，需要负电压来处理信号，例如在放大器电路中，负电压可以改变信号的相位或增益。

电源设计：一些电子设备需要负电压作为电源供应，如LCD屏幕、音频设备等，负电压能够满足这些设备的工作需求。

电路设计：在某些电路设计中，负电压可以改善电路性能，提高系统的稳定性和精度。

负电压的限制

设计复杂性：生成负电压的电路通常比正电压复杂，需要额外的元件和设计考虑。

成本：产生和维护负电压的成本可能较高，包括电路设计、元件成本和功耗等方面。

稳定性问题：有时负电压的稳定性不如正电压，可能受到噪声和波动的影响。

应用领域

医疗设备：在心脏起搏器、MRI扫描仪等医疗设备中，负电压常用于电源供应和信号处理。

通信设备：在通信设备中，负电压用于驱动天线、放大信号等功能。

实验室仪器：实验室仪器中可能需要负电压来提供适当的电场或驱动特定功能。