[硬件电路-138]：模拟电路 - 什么是正电源？什么是负电源？集成运放为什么有VCC+和VCC-
正电源和负电源是电路中为电子元件提供能量的两种不同极性的直流电压源，它们的核心区别在于参考电位（地）的选择以及电流方向的定义。以下是详细解析：
1. 正电源（Positive Power Supply）
定义：以电路中的地（GND，通常为0V）为参考点，电压高于地的电源。
关键特性：
- 电压值：通常标记为 VCC+、+V 或 V+（如+5V、+12V、+15V）。
- 电流方向：从正电源流出，经过负载后返回地（GND）。
- 符号表示：在电路图中，正电源用“+”号或长横线表示，地用“⊥”或短横线表示。
典型应用：
- 为数字电路（如微控制器、逻辑门）提供工作电压。
- 为模拟电路中的有源元件（如运放的正输入端、晶体管的集电极）供电。
- 驱动需要正电压的负载（如LED、继电器线圈）。
示例：
- 在5V供电的Arduino开发板中，5V引脚即为正电源，为板载芯片和外部模块提供能量。
- 在运放电路中，VCC+（如+15V）为运放内部晶体管提供正向偏置电压。
2. 负电源（Negative Power Supply）
定义：以电路中的地（GND）为参考点，电压低于地的电源。
关键特性：
- 电压值：通常标记为 VCC-、-V 或 V-（如-5V、-12V、-15V）。
- 电流方向：从地流出，经过负载后返回负电源（相当于电流从负电源“吸入”）。
- 符号表示：在电路图中，负电源用“-”号或长横线（下方）表示，地用“⊥”或短横线表示。
典型应用：
- 为需要双极性供电的模拟电路（如运放、音频放大器）提供负电压。
- 为某些特殊元件（如负电压稳压器、电晕放电管）供电。
- 在信号处理中生成负电压信号（如交流耦合电路中的负半周）。
示例：
- 在经典双电源运放（如LM741）中，VCC-（如-15V）与 VCC+（+15V）配合，使输出信号能以地为中心对称摆动（如±13V）。
- 在音频放大器中，负电源确保输出信号能覆盖负半周（如-10V至+10V），避免单电源供电时的失真。
3. 正电源与负电源的核心区别
| 特性 | 正电源 | 负电源 |
|---|---|---|
| 电压极性 | 高于地（GND） | 低于地（GND） |
| 电流方向 | 从电源流出 → 负载 → 地 | 从地流出 → 负载 → 电源 |
| 典型电压值 | +3.3V、+5V、+12V、+15V | -5V、-12V、-15V |
| 电路角色 | 提供正向能量 | 提供负向能量或对称电压 |
| 符号表示 | 长横线（上方）或“+”号 | 长横线（下方）或“-”号 |
4. 为什么需要负电源？
双极性信号处理：
许多模拟信号（如音频、传感器输出）包含正负电压成分。若仅用正电源，信号负半周会被截断（导致失真）。双电源（正+负）可确保信号完整放大。
示例：单电源运放（如LM324）处理交流信号时需额外偏置电路，而双电源运放（如OP07）可直接处理。电路对称性需求：
某些电路（如推挽放大器、差分放大器(因为不确定那一路信号是高与低，可以差分出来的结果，可能正、可能负)）需要正负电源以平衡电流，减少失真（如交叉失真）。特殊元件要求：
部分元件（如某些类型的二极管、真空管）需要负电压才能正常工作。
5. 实际应用中的电源组合
单电源系统：
仅使用正电源（如电池供电设备），通过偏置电路模拟双电源效果（如将信号抬升至VCC+/2）。
缺点：电路复杂度增加，可能引入噪声。双电源系统：
同时使用正电源（VCC+）和负电源（VCC-），提供对称电压范围。
优点：信号处理简单，失真低，适用于高精度场景。正负电源生成：
- 线性稳压器：如79L05（负5V稳压器）配合78L05（正5V稳压器）。
- 电荷泵IC：通过电容切换生成负电压（如ICL7660）。
- 开关电源：如反激式变换器可同时输出正负电压。
总结
- 正电源是电路中高于地的电压源，为元件提供正向能量。
- 负电源是低于地的电压源，用于双极性信号处理或特殊电路需求。
- 双电源系统（正+负）是模拟电路（如运放、音频放大器）的常见配置，可扩展信号范围并提高性能。
- 单电源系统需通过偏置电路模拟双电源效果，但可能牺牲部分性能。
在实际设计中，需根据信号特性、成本、功耗等因素选择合适的电源方案。