В графическом анализе нелинейных электронных схем , A линейная нагрузка является линия , проведенная на характеристической кривой , график зависимости тока по сравнению с напряжением в нелинейном устройства , как диода или транзистора . Он представляет собой ограничение, накладываемое внешней схемой на напряжение и ток в нелинейном устройстве. Линия нагрузки, обычно прямая, представляет собой отклик линейной части схемы, подключенной к рассматриваемому нелинейному устройству. Точки пересечения характеристической кривой и линии нагрузки являются возможными рабочими точками ( Q точек) схемы; в этих точках параметры тока и напряжения обеих частей схемы совпадают. [1]
Пример справа показывает, как линия нагрузки используется для определения тока и напряжения в простой диодной цепи. Диод - нелинейное устройство - включен последовательно с линейной цепью, состоящей из резистора R и источника напряжения V DD . Характеристическая кривая (изогнутая линия) , представляющая ток I через диод для любого заданного напряжения на диоде V D , является экспоненциальной кривой. Линия нагрузки (диагональная линия) представляет соотношение между током и напряжением из-за закона напряжения Кирхгофа, приложенного к резистору и источнику напряжения,
Поскольку ток, проходящий через три последовательно соединенных элемента, должен быть одинаковым, а напряжение на выводах диода должно быть одинаковым, рабочая точка схемы будет на пересечении кривой с линией нагрузки.
В BJT цепи, BJT имеет различный ток-напряжение (я С -V CE ) характеристического в зависимости от базового тока. Размещение серии этих кривых на графике показывает, как базовый ток повлияет на рабочую точку цепи.
Линии нагрузки постоянного и переменного тока [ править ]
Полупроводниковые схемы обычно имеют в себе как постоянный, так и переменный ток, с источником постоянного тока для смещения нелинейного полупроводника в правильную рабочую точку, а сигнал переменного тока накладывается на постоянный ток. Линии нагрузки можно использовать отдельно для анализа как постоянного, так и переменного тока. Линия нагрузки постоянного тока - это линия нагрузки эквивалентной схемы постоянного тока , определяемая уменьшением реактивных составляющих до нуля (замена конденсаторов разомкнутыми цепями и индукторов короткими замыканиями). Он используется , чтобы определить правильную рабочую точку DC, часто называют точкой Q .
Как только рабочая точка постоянного тока определена линией нагрузки постоянного тока, линия нагрузки переменного тока может быть проведена через точку Q. Линия нагрузки переменного тока представляет собой прямую линию с наклоном, равным импедансу переменного тока, обращенному к нелинейному устройству, которое, как правило, отличается от сопротивления постоянного тока. Отношение переменного напряжения к току в устройстве определяется этой линией. Поскольку импеданс реактивных компонентов будет изменяться в зависимости от частоты, наклон линии нагрузки переменного тока зависит от частоты приложенного сигнала. Таким образом, существует множество линий нагрузки переменного тока, которые варьируются от линии нагрузки постоянного тока (на низкой частоте) до линии ограничения нагрузки переменного тока, и все они имеют общее пересечение в рабочей точке постоянного тока. Эта линия предельной нагрузки, обычно называемая линией нагрузки переменного тока., является линией нагрузки схемы на «бесконечной частоте», и ее можно найти, заменив конденсаторы при коротком замыкании и индуктивности при разомкнутых цепях.
Линии нагрузки для общих конфигураций [ править ]
Линия нагрузки транзистора [ править ]
Диаграмма линии нагрузки справа предназначена для резистивной нагрузки в цепи с общим эмиттером . Линия нагрузки показывает, как резистор нагрузки коллектора (R L ) ограничивает напряжение и ток в цепи. На диаграмме также показан график зависимости тока коллектора транзистора I C от напряжения коллектора V CE для различных значений тока базы I base . Пересечения линии нагрузки с характеристическими кривыми транзистора представляют значения I C и V CE с ограничением по схеме при различных базовых токах. [2]
Если транзистор может пройти все доступные в настоящее время, с напряжения не падает на него, ток коллектора будет напряжение питания V CC над R L . Это точка, где линия нагрузки пересекает вертикальную ось. Однако даже при насыщении всегда будет какое-то напряжение от коллектора к эмиттеру.
Там, где линия нагрузки пересекает горизонтальную ось, ток транзистора минимален (приблизительно равен нулю). Говорят, что транзистор отключен, пропуская только очень небольшой ток утечки, и поэтому почти все напряжение питания отображается как V CE .
Рабочая точка схемы в этой конфигурации (помечено Q) , как правило , предназначена , чтобы быть в активной области , примерно в середине линии нагрузки для усилителя приложений. Регулировка тока базы таким образом, чтобы схема находилась в этой рабочей точке без подачи сигнала, называется смещением транзистора . Несколько методов используются для стабилизации рабочей точки от незначительных изменений температуры или рабочих характеристик транзистора. При подаче сигнала изменяется базовый ток и, в свою очередь, изменяется напряжение коллектор-эмиттер вслед за линией нагрузки - в результате получается каскад усилителя с усилением.
Линия нагрузки обычно рисуется на кривых I c -V ce транзистора, используемого в схеме усилителя. Тот же метод применяется к другим типам нелинейных элементов, таких как электронные лампы или полевые транзисторы .
Ссылки [ править ]
- ^ Адель Седра, Кеннет Смит. Микроэлектронные схемы, 5-е изд.
- ^ Морис Юник, Дизайн современных транзисторных схем , Prentice-Hall Inc., 1973 ISBN 0-13-201285-5, раздел 4.6 «Анализ линии нагрузки», стр. 68-73
