Меню

Линия нагрузки для переменного тока

Анализ линии нагрузки транзистора

До сих пор мы обсуждали различные области работы транзистора. Но среди всех этих областей мы обнаружили, что транзистор хорошо работает в активной области и, следовательно, он также называется линейной областью . Выходами транзистора являются ток коллектора и напряжение коллектора.

Выходные характеристики

При рассмотрении выходных характеристик транзистора кривая выглядит следующим образом для различных входных значений.

Транзисторный выход

На приведенном выше рисунке выходные характеристики показаны между током I C коллектора и напряжением V CE коллектора для различных значений базового тока I B. Они рассматриваются здесь для различных входных значений, чтобы получить различные выходные кривые.

Нагрузка линии

Когда рассматривается значение максимально возможного тока коллектора, эта точка будет присутствовать на оси Y, которая является ничем иным, как точкой насыщения . Кроме того, когда рассматривается значение максимально возможного напряжения эмиттера коллектора, эта точка будет присутствовать на оси X, которая является точкой отсечки .

Когда рисуется линия, соединяющая эти две точки, такую ​​линию можно назвать линией загрузки . Это называется так, как он символизирует выход при нагрузке. Эта линия, проведенная над кривой выходной характеристики, вступает в контакт в точке, называемой рабочей точкой или точкой покоя, или просто Q-точкой .

Понятие линии нагрузки можно понять из следующего графика.

Нагрузка линии

Линия нагрузки рисуется путем соединения точек насыщения и обрезания. Область, которая лежит между этими двумя, является линейной областью . Транзистор действует как хороший усилитель в этой линейной области.

Если эта линия нагрузки отображается только тогда, когда на транзистор подается смещение постоянного тока, но входной сигнал не подается, то такая линия нагрузки называется линией нагрузки постоянного тока . В то время как линия нагрузки проведена в условиях, когда подается входной сигнал вместе с напряжениями постоянного тока, такая линия называется линией нагрузки переменного тока .

Линия нагрузки постоянного тока

Когда на транзистор подается смещение, и на его вход не подается сигнал, линия нагрузки, проведенная в таких условиях, может пониматься как состояние постоянного тока . Здесь не будет усиления, так как сигнал отсутствует . Схема будет такой, как показано ниже.

Сигнал отсутствует

Значение напряжения эмиттера коллектора в любой момент времени будет

V C E = V C C − I C R C

Поскольку V CC и R C являются фиксированными значениями, приведенное выше является уравнением первой степени и, следовательно, будет представлять собой прямую линию на выходных характеристиках. Эта линия называется линией нагрузки постоянного тока . На рисунке ниже показана линия нагрузки постоянного тока.

Линия нагрузки постоянного тока

Чтобы получить линию нагрузки, необходимо определить две конечные точки прямой. Пусть эти две точки будут A и B.

Чтобы получить

Когда напряжение эмиттера коллектора V CE = 0, ток коллектора максимален и равен V CC / R C. Это дает максимальное значение V CE . Это показано как

V C E = V C C − I C R C

0 = V C C − I C R C

I C = V C C / R C

Это дает точку A (OA = V CC / R C ) на оси тока коллектора, показанной на рисунке выше.

Источник

Линия нагрузки для переменной составляющей

date image2015-09-06
views image4215

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

До сих пор мы строили линии нагрузки для постоянного тока. При подаче переменного сигнала на вход усилителя, кроме постоянного тока, через транзистор и элементы схемы протекает ещё и переменный ток. В подавляющем большинстве случаев пути прохождения переменного тока отличаются от путей прохождения постоянного тока. По этой причине нагрузка переменному току отличается от нагрузки постоянному току, а нагрузочная линия переменному току занимает иное положение, чем нагрузочная линия постоянному току.

Когда сигнал переменного напряжения подан на вход схемы, напряжения и токи изменяются по линии нагрузки для переменного тока. Линия нагрузки для переменного тока должна проходить через точку покоя А (UКЭ; IОК), но её наклон определяется величиной сопротивления нагрузки переменному току Rн

На рис.1.13 показана принципиальная схема каскада транзисторного усилителя с автоматическим смещением или эмиттерной стабилизацией.

Рис.1.13. Принципиальная схема усилительного каскада с ОЭ.

Входнойпеременный сигнал U1 поступает на базу транзистора через разделительный конденсатор Ср1, а выходной сигнал U2 поступает в нагрузку через разделительный конденсатор Ср2, который не пропускает постоянную составляющую в R2н. Конденсатор большой емкости СЭ шунтирует эмиттерный резистор для того, чтобы на эмиттере не появилось переменное напряжение. Без СЭ коэффициент усиления упадет из-за отрицательной ОС, поскольку переменное напряжение на резисторе RЭ вычитается из входного сигнала и на вход транзистора б-э поступает меньшее напряжение UБЭ=UБ – UЭ

Для анализа усилителей на переменном токе используются эквивалентные схемы, в которых все точки, имеющие неизменяемый потенциал по постоянному току, рассматриваются как имеющие нулевой потенциал для переменной составляющей. В области средних частот, на которых и принято строить нагрузочную линию переменному току, влияние конденсаторов на работу схемы можно не учитывать, т.е. можно считать, что все конденсаторы имеют большую ёмкость, являются идеальными и для переменной составляющей представляют короткозамкнутую цепь, а для постоянной составляющей – разомкнутую. Вследствие этого на эквивалентной схеме для переменного тока (рис.1.14а) R1И соединен с базой, R2Н – с коллектором транзистора, а эмиттер соединён с общим проводом (заземлён) благодаря конденсатору СЭ, который имеет большую величину ёмкости, и, следовательно, практически нулевое сопротивление переменному току.

Читайте также:  Таблица токов зарядки различных типов аккумуляторов

Источники питания постоянного тока обычно обладают большой ёмкостью, которая для переменного сигнала представляет короткозамкнутую цепь. Вследствие нулевого сопротивления источника питания EК переменному току, точка “а” соединяется с общим проводом.

Рис.1.14 Эквивалентная схема для переменного тока на средних частотах усилителя с ОЭ, выполненного по схеме рис.1.13.

На эквивалентной схеме рис.1.14 б показаны пути прохождения входного переменного тока ίвх и пути прохождения выходного переменного тока ίвых. В выходной цепи переменная составляющая коллекторного тока проходит через сопротивление RК и сопротивление внешней нагрузки R2Н. Эти сопротивления включены параллельно и образуют эквивалентное сопротивление нагрузки переменному току RН

=RК·R2Н/(RК+R2Н). Оно и определяет наклон нагрузочной линии переменному току. Поскольку сопротивление нагрузки переменному току Rн

меньше сопротивления нагрузки постоянному току RН= = RК + RЭ, нагрузочная линия переменному току пройдёт через точку покоя с большей крутизной, чем нагрузочная линия постоянному току.

Уравнение для нагрузочной линии переменному току может быть получено из алгебраического выражения для наклонной линии вида ү – ү1= m (х –x1), где х1, ү1– точки на линии, а m – её наклон. Для схемы на биполярном транзисторе это уравнение удобно представить в виде IОК –iК1= (UКЭ – uк1)/Rн

Через приращение тока коллектора ∆ίК=IОК–ίК1 выражаем приращение напряжения ∆uК=UКЭ–uК1 и получаем уравнение нагрузочной линии переменному току ∆ίкRн

ПРИМЕР 1.9 Построить нагрузочную линию для переменного тока при сопротивлении внешней нагрузки R2Н = 3кОм

Дано: На рис.1.11 изображена нагрузочная линия

постоянному току при RК=2кОм, RЭ=1,2кОм и указана

точка покоя Ас координатамиUКЭ=6 В, IОК=2мА

Решение: Определяем эквивалентное сопротивление

нагрузки выходному переменному току

2кОм · 3кОм/(2 + 3)кОм=1,2кОм.

Линия нагрузки переменному току должна

проходить через точку покояА и иметь наклон

Выбирая ∆ίК или ∆uК найдём координаты другой

точки, через которую пройдёт нагрузочная линия

Вариант 1. Задаем приращение тока коллектора.

Пусть ∆iк=1мА, тогда ∆uк = –∆ίк · Rн

= – 1мА · 1,2кОм= – 1,2В

Координаты точки А’ на нагрузочной линии переменному току:

I’К=IОК + ∆ίк=2мА + 1мА=3мА,

U’К=UКЭ +∆uК=6,0 В–1,2В=4,8В.

Вариант 2. Задаем приращение коллекторного напряжения.

Пусть ∆uк=1,2В, тогда ∆ίк= –∆uк/Rн

Координаты точки А»:

U»К= UКЭ + ∆uК=6,0В + 1,2 В =7, 2В; І»К = IОК+ ∆ίк=2мА – 1,0мА=1,0мА.

Нагрузочную линию переменному току можно провести через точку покоя А и любую из двух других А’ или А».

Рис.1.15 Линии нагрузки для постоянного и переменного тока по даннымпримеров1.5 и, 1.9.

Таким образом, если ток ίк увеличится на 1 мА и будет равен 3мА, то uк уменьшится на 1,2В и будет равно 4,8В. ТочкаА’ с координатами

uК =4,8В, ίк=3мА является одной из точек, принадлежащих линии нагрузки для переменного тока. Соединив эту точку с точкой покоя А, получим нагрузочную линию для переменного тока (рис.1.15).

Нагрузочную линию переменному току можно построить также соединив точку покоя Ас точкойА»с координатами(UК=7,2В; Ік=1мА).

Заметим, что линия нагрузки переменному току задаёт размах наибольшего переменного напряжения на коллекторе транзистора. Точка Ах имеет координаты:

UК(Х)=UКЭ +∆UК=UКЭ +∆ІОК · RН

= 6,0В + 2мА · 1,2кОм=8,4В ; ІК=0.

Размах сигнала uкm=UКХ – UКЭ=8,4–6,0=2,4В. В данном случае ограничение амплитуды сигнала произойдет в точке Ах. При малой величине напряжения покоя UКЭ на коллекторе транзистора ограничение может возникать слева (при uк=0).При проектировании оконечных каскадов приходится решать задачу выбора точки покоя, чтобы получить ≈максимальное неискажённое напряжение сигнала (слева и справа).

Расчет амплитудно-частотной (АЧХ), фазочастотной (ФЧХ) и переходной (ПХ) характеристик на компьютере.

При использовании программы Fastmean с целью получения АЧХ,ФЧХ и ПХ необходимо выполнить те же этапы, что описаны для расчета по постоянному току.

Первый этап – выбор модели активного элемента – обоснован поведением этого элемента в интересующей нас области частот.

Таким образом, если по постоянному току использовалась модель биполярного транзистора ИТУТ, то и по сигналу следует использовать ту же модель, дополнив ее элементами, описывающими поведение транзистора в области верхних частот.

Такая модель хорошо известна [1—3 ].

Для Fastmean она примет вид (рис.1.16).

Рис.1.16 Эквивалентная модель биполярного транзистора (ИТУТ) для области верхних частот.

Рассчитаем параметры этой модели:

— объемное сопротивление базы, = / CК,

где — постоянная времени цепи ОС, а CК — емкость коллекторного перехода, приводимые в справочнике.

Сопротивление перехода база-эмиттер ,

где -коэффициент усиления по току транзистора ОЭ из справочника, а -постоянный эмиттерный ток, -тепловой потенциал для нормальных условий.

Заметим, что сумма + = h11.

Емкость вычислим, зная частоту единичного усиления транзистора fТ по параметру h21. .

ПРИМЕР 1.10 Рассчитать элементы эквивалентной схемы биполярного транзистора по модели рис.1.16.

Дано: Параметры транзистора: h21=150, fТ=200МГц,

CК=12пФ, τОС =100пс, ток покоя Iок=Iоэ=2мА.

Читайте также:  Переменный ток все его графики

На втором этапе создаем эквивалентную схему по переменному току каскада рис.1.13. Ее вид показан на рис.1.17.

Рис.1.17 Эквивалентная схема по переменному току каскада рис.1.13.

РАСЧЕТ АЧХ И ФЧХ

ПРИМЕР 1.11 Построить АЧХ и ФЧХ усилителя рис.1.13

Дано: Из примера 1.2 RЭ=1.2 кОм, RК=1,8 кОм,

RБ1=62 кОм, RБ2=24 кОм.Сопротивления

источника сигнала R1И=70 Ом, внешней

нагрузки R2Н=400 Ом, ёмкость нагрузки С=10 пФ.

эквивалентной схемы биполярного

транзистора из примера 1.10.

Решение: В эквивалентной схеме рис.1.17 заменяем

транзистор его эквивалентной моделью рис.1.16,

получаем эквивалентную схему усилительного

каскада рис.1.13, удобную для построения частот-

ных характеристик на Fastmean. Эквивалентная

схема по сигналу приведена на рис 1.18

Рис. 1.18 Эквивалентная схема по сигналу усилителя рис.1.13

Параметры усиления тока транзистора h21= -150 А/А. Источник сигнала гармонический. Необходимо помнить, что нумерация элементов зависит от последовательности их набора. Проставив номера узлов, можно приступить к расчету частотных характеристик , воспользовавшись кнопкой ”частотные характеристики” на верхней линейке управления . Масштаб по частоте необходимо установить логарифмический и задать конечную частоту (например f=100 МГц). Масштаб по оси Y выбрать линейный, но в выражение по оси Y ввести db и отношение напряжений в узлах . Так выражение АЧХ по оси Y для примера 1.11 примет вид db(mag(U(5)/U(7)), где U(5) – напряжение на нагрузке R2н (т.е. на выходе каскада) , а U(7) – напряжение источника сигнала U1 (рис.1.18). Полученная АЧХ представлена на рис.1.19.

Для определения полосы пропускания по уровню -3дБ необходимо вызвать линейку управления и, установив стрелку на средних частотах, прочитать коэффициент усиления КО дБ. На рис.1.19 КО дБ=20lg(U(5)/U(7))=27,9 дБ.

Частоты среза fн и fв находим по уровню КО дБ-3дБ=24,9 дБ. На рис.1.19

стрелка показывает частоту верхнего среза fв=4,538 МГц. Частота нижнего среза, определяемая таким же способом, fн=12,6 кГц.

Рис.1.19 АЧХ усилителя рис.1.13 по данным примера 1.11

Рис.1.20 АЧХ усилителя рис.1.13 по данным примера 1.11

На рис.1.20 показана ФЧХ этого же усилителя. В учебной литературе принято по ФЧХ определять дополнительный фазовый сдвиг относительно средних частот, при этом фазовый сдвиг на средних частотах принимают за нулевой. В связи с тем, что транзистор, включенный по схеме с ОЭ, дает поворот фазы на – 180 о , добавляем 180 о в выражение по оси Y. Выражение по оси Y отражается в окне “линейки” (рис.1.20).

Источник

Линия нагрузки (электроника) — Load line (electronics)

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 ( точками Q ) схемы; в этих точках параметры тока и напряжения обеих частей цепи совпадают.

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 собой соотношение между током и напряжением из-за закона напряжения Кирхгофа, приложенного к резистору и источнику напряжения.

V D знак равно V D D — я р <\ Displaystyle V_ = V_

-IR \,>