一、負(fù)電壓發(fā)生器的定義

負(fù)電壓發(fā)生器，顧名思義，是一種能夠產(chǎn)生負(fù)電壓的電子設(shè)備。在電子電路中，電壓的極性對于電路的功能和性能具有重要影響。雖然大多數(shù)電子設(shè)備主要使用正電壓，但在某些特定應(yīng)用中，如運(yùn)算放大器供電、IGBT或MOSFET的門極驅(qū)動、以及通訊接口等，負(fù)電壓的存在是不可或缺的。負(fù)電壓發(fā)生器通過特定的電路設(shè)計(jì)和元件選擇，實(shí)現(xiàn)了將正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓的功能。

二、負(fù)電壓發(fā)生器的工作原理

負(fù)電壓發(fā)生器的工作原理基于多種電路技術(shù)和元件的組合應(yīng)用。以下是幾種常見的負(fù)電壓產(chǎn)生方式及其工作原理：

1、電荷泵（Charge Pump）方式

電荷泵是一種利用電容器充放電原理來產(chǎn)生負(fù)電壓的電路。其基本思想是通過控制開關(guān)的通斷，使電容器在輸入電壓的正半周期充電，在負(fù)半周期放電，從而在輸出端產(chǎn)生負(fù)電壓。電荷泵電路簡單、成本低廉，但輸出電流和電壓范圍有限，適用于對電壓和電流要求不高的場合。

2、開關(guān)電源（Switched-Mode Power Supply, SMPS）方式

開關(guān)電源利用電感器、電容器等儲能元件和開關(guān)器件（如MOSFET）的高頻開關(guān)動作，實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。在負(fù)電壓產(chǎn)生中，開關(guān)電源可以通過特定的電路拓?fù)洌ㄈ鏐uck-Boost、Flyback等）將正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。開關(guān)電源具有效率高、輸出穩(wěn)定、調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的負(fù)電壓產(chǎn)生方式之一。

3、穩(wěn)壓器（Regulator）方式

穩(wěn)壓器是一種能夠保持輸出電壓穩(wěn)定的電子設(shè)備。雖然傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器不能直接產(chǎn)生負(fù)電壓，但通過特定的電路設(shè)計(jì)（如使用反向連接的穩(wěn)壓二極管或集成負(fù)電壓穩(wěn)壓器芯片），可以實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓的輸出。這種方式相對簡單，但效率較低，且需要額外的元件來產(chǎn)生負(fù)電壓。

4、集成負(fù)電壓發(fā)生器芯片

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多專門用于產(chǎn)生負(fù)電壓的集成芯片。這些芯片內(nèi)部集成了電荷泵、開關(guān)電源或其他負(fù)電壓產(chǎn)生電路，并提供了穩(wěn)定的輸出電壓和電流。使用集成負(fù)電壓發(fā)生器芯片可以簡化電路設(shè)計(jì)、提高可靠性并降低成本。

三、負(fù)電壓發(fā)生器的應(yīng)用

負(fù)電壓發(fā)生器在電子電路設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用，以下是一些典型的應(yīng)用場景：

1、運(yùn)算放大器供電

許多運(yùn)算放大器需要雙極性電源供電（即正負(fù)電壓同時(shí)供電）。負(fù)電壓發(fā)生器可以為這些運(yùn)算放大器提供所需的負(fù)電壓，從而確保其在整個(gè)工作范圍內(nèi)都能正常工作。

2、IGBT或MOSFET的門極驅(qū)動

在電力電子領(lǐng)域，IGBT或MOSFET等功率半導(dǎo)體器件的門極驅(qū)動電路經(jīng)常需要負(fù)電壓來確保器件的可靠關(guān)斷。負(fù)電壓發(fā)生器可以產(chǎn)生所需的負(fù)電壓，從而提高電路的可靠性和性能。

3、通訊接口

某些通訊接口（如RS232）需要負(fù)電壓來表示特定的信號狀態(tài)。負(fù)電壓發(fā)生器可以為這些接口提供所需的負(fù)電壓信號，從而確保通訊的正常進(jìn)行。

4、自毀電路

在某些特殊應(yīng)用中，如安全控制系統(tǒng)中的自毀電路，負(fù)電壓發(fā)生器可以用來產(chǎn)生足夠高的負(fù)電壓以摧毀目標(biāo)芯片或電路。這種方式可以在特定條件下保護(hù)系統(tǒng)安全或防止信息泄露。

5、其他應(yīng)用

除了上述應(yīng)用場景外，負(fù)電壓發(fā)生器還可以用于其他需要負(fù)電壓供電的場合，如模擬電路中的偏置電壓產(chǎn)生、數(shù)字電路中的電平轉(zhuǎn)換等。

四、基于555定時(shí)器的負(fù)電壓發(fā)生器電路圖

1、使用 IC 555 的負(fù)電壓發(fā)生器電路圖

我們知道運(yùn)算放大器、傳感器和一些信號調(diào)理電路需要負(fù)電壓作為偏置和參考電壓。添加用于獲得負(fù)電壓的硬件會增加電路的尺寸和成本。這是使用 IC 555通過負(fù)電壓發(fā)生器電路獲得它的簡單易行的方法。

當(dāng)需要恒定的負(fù)電壓作為偏置時(shí)，可以使用負(fù)整流和負(fù)線性穩(wěn)壓器或雙軌供電電路。在某些情況下，我們需要可變的負(fù)電壓作為微控制器、傳感器或信號調(diào)理電路的參考。在這種情況下，您可以使用這種類型的負(fù)電壓發(fā)生器，并且可以通過更改定時(shí)器 IC 555 輸出頻率來根據(jù)需要改變輸出電壓。

使用 IC 555 原型的負(fù)電壓發(fā)生器電路

該電路生成負(fù)電壓軌并利用單軌電源形成雙軌。

該電路的工作分為兩部分，一是振蕩器，二是通過電容器充電和放電。這里，二極管 D1、D2 (1N4007) 有助于允許和阻止來自電容器的變化電勢的流動。

正如您所發(fā)現(xiàn)的，該電路在非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器模式下使用定時(shí)器 IC 555，并根據(jù)定時(shí)電阻器（R1、R2）和定時(shí)電容器 C1 值生成方波脈沖輸出。

上述電路中輸出脈沖頻率f為，

在這里，我們選擇了產(chǎn)生 -3.7V（負(fù)）輸出的元件。更改 R1、R2 和 C1 的值以獲得不同的輸出范圍，記住輸出電壓僅限于施加到定時(shí)器 IC 555 的最大 Vcc。

讓我們繼續(xù)討論工作細(xì)節(jié)，在方波脈沖輸出中將有正脈沖持續(xù)時(shí)間和“0”或接地脈沖持續(xù)時(shí)間。

當(dāng)正脈沖持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)在引腳 3（定時(shí)器 IC 555 的輸出）上時(shí)，電壓從 0 上升到半 Vcc，在此期間，電容器 C3 正極板充電，由于電容耦合，負(fù)極板也充電，當(dāng)負(fù)極板C3 板達(dá)到 0.7V，然后二極管 D1 開始以正向偏置導(dǎo)通。因此，由于二極管 D1，C3 的正極板保持在 Vcc 的一半，負(fù)極板保持在 0.7V。

當(dāng)“0”或接地脈沖出現(xiàn)時(shí)，電容器C3正極板突然從Vcc的一半下降到“0”，因此由于兩個(gè)板的電容耦合，將保持一半Vcc的電勢差。然后負(fù)極板下降到-Ve Half Vcc，由于反向偏壓，二極管 D1 無法導(dǎo)通，但 D2 由于正向偏壓而開始導(dǎo)通，C4 獲得負(fù)電勢電荷，平滑輸出電壓（負(fù)），此循環(huán)重復(fù)進(jìn)行我們得到恒定的負(fù)電壓輸出。

每個(gè)電路都需要完美的偏置電源才能良好運(yùn)行，有時(shí)集成電路或特殊組件或輸出執(zhí)行器需要負(fù)電壓。主直流電源經(jīng)過整流和調(diào)節(jié)后，我們無法立即產(chǎn)生負(fù)電源。在這篇原型文章中，負(fù)電壓發(fā)生器電路給出了簡化的物料清單，它可以輕松地用于任何電路原理圖。

2、使用IC 555的負(fù)電壓發(fā)生器電路圖

在進(jìn)入負(fù)電壓發(fā)生器電路之前，首先我們應(yīng)該了解負(fù)電壓以及負(fù)電壓周期與正弦波的分離。當(dāng)正弦函數(shù)相對于時(shí)間移動時(shí)，它將有正循環(huán)和負(fù)循環(huán)。當(dāng)我們使用二極管限幅器時(shí)，我們只能得到負(fù)周期或只能得到正周期。這里給出了負(fù)循環(huán)輸出的二極管電路示例。

在該電路中，二極管 D1 在正周期期間導(dǎo)通（0.7V 之后）并將信號接地，D2 處于關(guān)斷狀態(tài)。負(fù)周期時(shí)D2二極管導(dǎo)通信號并輸出??，但D1轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，順便說一下，每個(gè)正周期都接地，只有負(fù)周期才輸出。

使用定時(shí)器IC 555實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路，然后使用二極管限幅器將輸出方波脈沖分離為負(fù)輸出。

該電路中信號振蕩器是無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，電壓轉(zhuǎn)換器是二極管限幅器。當(dāng)我們向該電路施加偏壓時(shí)，IC 555通過pin3給出正負(fù)電平的方波輸出，當(dāng)方波脈沖到達(dá)二極管限幅器時(shí)，正脈沖接地，負(fù)脈沖僅傳導(dǎo)到輸出，如二極管限幅器理論中提到的。

3、采用555定時(shí)器IC和二極管的負(fù)電壓發(fā)生器電路圖

當(dāng)涉及低電流應(yīng)用時(shí)，電子應(yīng)用中通常需要負(fù)電壓。然而，獲得負(fù)供給源并不是一個(gè)可行的選擇。對于許多需要最小功率的電子電路，我們無法使用負(fù)電壓電源?？梢詮恼娫串a(chǎn)生負(fù)電壓的電路可用于參考或低功耗應(yīng)用。因此，我們討論產(chǎn)生負(fù)電壓的電路。簡而言之，在本教程中，我們將制作一個(gè)“負(fù)電壓發(fā)生器電路”。

該電路采用555定時(shí)器IC和二極管作為主要元件。在深入研究負(fù)電壓發(fā)生器電路的制作之前，了解負(fù)電壓以及正弦波和負(fù)電壓周期之間的區(qū)別非常重要。當(dāng)sin函數(shù)相對于時(shí)間運(yùn)動時(shí)，它既有正循環(huán)又有負(fù)循環(huán)。當(dāng)我們使用二極管限幅器時(shí)，我們可能會獲得負(fù)周期或僅正周期。

這是基本的負(fù)電壓發(fā)生器電路，可以在 9 伏的輸入電壓下工作。 555定時(shí)器IC用于產(chǎn)生負(fù)電壓。 IC 通電后將從其輸出引腳 3 產(chǎn)生方波。方波將在整個(gè)周期中產(chǎn)生正電壓和負(fù)電壓。當(dāng)正電壓施加到IC的輸出引腳時(shí)，連接到其上的10uF電容器（C4）通過1N4002二極管D1充電，并且不向輸出提供正電壓。當(dāng)存在負(fù)電壓時(shí)，該電容器通過另一個(gè)二極管 D2 放電，并且 3 C5 電容器充電，從而產(chǎn)生負(fù)電壓。

4、使用 555 定時(shí)器 IC 的負(fù)電壓發(fā)生器電路圖

在本教程中，我們將演示使用 555 定時(shí)器 IC 的負(fù)電壓發(fā)生器電路。大多數(shù)時(shí)候，我們需要負(fù)電壓來滿足電子領(lǐng)域的某些應(yīng)用。當(dāng)?shù)碗娏鲬?yīng)用需要時(shí)，使用負(fù)電源并不可靠。有一些商業(yè)選項(xiàng)，但它們通常很昂貴，或者在您需要時(shí)不容易獲得。因此，該電路可用作負(fù)電源，適用于所有實(shí)際用途。

該電路從正電源產(chǎn)生負(fù)電源。這是一個(gè)簡單的電路，可以輕松適應(yīng)各種要求。我們使用最流行和最通用的 IC 之一，即 555 定時(shí)器 IC 和一些其他組件。

該電路簡單，可以在5-15伏的輸入電壓下工作。 555定時(shí)器IC用作負(fù)電壓發(fā)生器。接通電源后，IC 將從其輸出引腳（引腳 3）產(chǎn)生方波。方波的這個(gè)周期將產(chǎn)生正電壓和負(fù)電壓。當(dāng)有正電壓時(shí)，連接在IC輸出引腳上的22uF電容器將通過1N4002二極管D1充電，并且沒有正電壓輸出。當(dāng)存在負(fù)電壓時(shí)，該電容器通過其他二極管 D2 放電，33uF 電容器充電，輸出將提供 -3 伏至 -13 伏的負(fù)電壓。

5、基于555定時(shí)器IC的負(fù)電壓發(fā)生器電路圖

在本教程中，我們正在開發(fā)一個(gè)負(fù)電壓發(fā)生器項(xiàng)目，該項(xiàng)目易于制造并且需要一些低成本組件。在電子應(yīng)用中，我們通常需要負(fù)電壓。然而，當(dāng)需要低電流應(yīng)用時(shí)，負(fù)電源并不是一個(gè)可靠的選擇。

對于許多需要低功耗的電子電路，我們不能采用負(fù)電壓電源。對于參考或低功率用途的應(yīng)用，人們可能會選擇能夠從正電壓電源產(chǎn)生負(fù)電壓的電路。

為此，存在各種循環(huán)。在這里，構(gòu)建了一個(gè)基本的負(fù)電壓發(fā)生器電路。該電路由555定時(shí)器IC電路構(gòu)成。

上圖為負(fù)電壓發(fā)生器電路圖。這里的555定時(shí)器IC是一個(gè)ASTABLE振動器。可以修改電容器，使其為全負(fù)電壓。選擇應(yīng)該完成。如果不選擇該能力，則無法達(dá)到輸出處的最佳負(fù)張力。

555 定時(shí)器 IC 用作方波發(fā)生器并產(chǎn)生方波，如前所述。正方形有一個(gè)正峰值，+0 是一個(gè)完整的循環(huán)。

當(dāng)輸出端的電壓峰值為正時(shí)，現(xiàn)在將出現(xiàn)電流（紅線），如下圖所示。此時(shí)D1二極管優(yōu)先選擇正向，D2二極管優(yōu)先選擇反向。

因此，如圖所示，電容器C1被充滿，并且其上產(chǎn)生VCC電壓。

如果在正峰值后接地，電流（紅線）將繼續(xù)流動，如上圖所示。此時(shí)二極管D1反向偏置，二極管D2正向偏置。當(dāng) D2 發(fā)生故障時(shí)，C1 電容器中沉積的負(fù)載將有一種流動方式。因此，電容器C1通過D2放電，電容器C2被充電。該圖顯示了這一點(diǎn)。因此，在整個(gè) 0 V 信號期間，C2 電容器中將出現(xiàn)電壓。

如果接地受到影響，C2 上的電壓將為負(fù)。這樣對每個(gè)回路進(jìn)行恒定的充電和上傳，并通過地輸出恒定的負(fù)電壓。

對于許多需要低功率的電子電路，我們不能使用負(fù)電壓電源。人們可以使用電路從正電壓源產(chǎn)生負(fù)電壓，用于參考或低功率應(yīng)用。

五、相關(guān)知識

1、電壓極性

電壓的極性是指電壓的正負(fù)方向。在電路中，電壓的極性對于電路的工作狀態(tài)和性能具有重要影響。正電壓表示電流從高電位流向低電位；而負(fù)電壓則表示電流從低電位流向高電位。

2、電子元件

負(fù)電壓發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)離不開各種電子元件的支持。常見的電子元件包括電容器、電感器、二極管、開關(guān)器件（如MOSFET）以及集成芯片等。這些元件在電路中扮演著不同的角色，共同實(shí)現(xiàn)了負(fù)電壓的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)。

3、電路拓?fù)?/strong>