Уравнение линии нагрузки можно получить используя

Линия нагрузки и насыщения

На рис. 6.7, а показано семейство коллекторных характеристик в интервале таких значений напряжений и токов, которые характерны для рассмотренных в гл. 1 каскадов усилителей с включением транзистора по схеме с общим эмиттером. Выходная цепь такой схемы изображена на рис. 6.7, б. На характеристиках проведена прямая линия XY. Это — линия нагрузки для 9-вольтового источника питания (V_cc) и коллекторной нагрузки R_L = 4,5 кОм, представляющая траекторию, в соответствии с которой должны изменяться коллекторное напряжение и ток при данном резисторе нагрузки и напряжении питания V_cc.

Уравнение линии нагрузки — это просто выражение связи между разностью потенциалов на R_L и током коллектора: V_CE = V_cc – R_LI_C. В результате преобразования имеем:

Рис. 6.7. а — семейство коллекторных характеристик маломощного транзистора с линией нагрузки (XY), соответствующей V_cc= 9 В и R_L = 4,5 кОм; б— выходная цепь схемы с общим эмиттером.

Уравнение (6.13) описывает прямую с отрицательным градиентом, равным 1 /R_l, пересекающую ось токов в точке V_CC/R_L. Линию нагрузки совсем легко провести через точки X и Y, которые соответствуют максимальному напряжению на коллекторе и максимальному коллекторному току. В точке X наступает отсечка, когда ток коллектора становится равным нулю, и поэтому нет падения напряжения на резисторе коллекторной нагрузки, а к коллектору приложено все напряжение питания V_cc (9 В). Другая точка линии нагрузки У выражает собой гипотетическое состояние транзистора с нулевым напряжением на коллекторе, когда напряжение питания полностью падает на коллекторной нагрузке. В этом состоянии

Проведя линию нагрузки, можно выбрать V_CE = 4,5 В и /_с = 1 мА в качестве оптимального положения рабочей точки Q в режиме покоя, чтобы получить максимальные по величине положительные и отрицательные отклонения, как мы делали это в гл. 1. Удобно рассматривать колебания коллекторного напряжения и коллекторного тока в непосредственной связи с характеристиками транзистора; достоинство такого подхода состоит в том, что можно видеть реальные пределы, в которых будут происходить эти колебания. Очевидно, что выходное напряжение может подниматься до 9 В (когда наступает отсечка), хотя, как вскоре будет показано, при этом могут появиться некоторые искажения. Нижний предел линейного изменения выходного напряжения находится там, где линия нагрузки больше не пересекает ни одну из характеристик. За этой точкой расположена заштрихованная область, которая представляет собой режим насыщения: транзистор больше не управляет коллекторным током, который ограничен только сопротивлением резистора нагрузки и напряжением питания.

В области насыщения коллекторный ток равен I = V_cc/R_t\ транзистор насыщен в результате введения в базу тока, большего, чем I_C<sat)/h_f£. Транзисторы, используемые в переключающих схемах, работают попеременно то в режиме насыщения, то в режиме отсечки. При насыщении переход коллектор—база фактически смещен в прямом направлении; так как разности потенциалов на переходах коллектор—база и база—эмиттер примерно равны и противоположны по знаку, можно получить очень низкое напряжение между коллектором и эмиттером (обычно V_CE<sat) of your page —>

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.

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.

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.

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.

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.

Линия нагрузки усилительного каскада по постоянному току.

Рассмотрим усилительный каскад с общим эмиттером.

При отсутствии входного сигнала, зависимость между током и напряжением выходной цепи усилительного каскада описывается следующим уравнением

(12.1) уравнение линии усилительного каскада по постоянному току.

, ,

12.1 – это уравнение прямой, поэтому построить линию нагрузки можно по двум точкам.

1. ;

2. ;

Строим нагрузочную прямую на выходных вольт-амперных характеристиках транзистора.

Рабочая точка усилительного каскада находится только на нагрузочной прямой. Линия нагрузки усилительного каскада по постоянному току представляет собой геометрическое место точек, координаты которых и соответствуют возможным значением рабочей точки данного каскада.

Предположим выбираем рабочую точку на выходной характеристике. На выходной характеристике рабочая точка будет находиться на пересечении соответствующей входной характеристике при с линии нагрузки усилительного каскада. Линия нагрузки усилительного каскада по постоянному току используется для анализа каскада по постоянному току графо-аналитическим методом. При таком расчете выбираются все элементы усилительного каскада. Преимущество в наглядности данного метода.

Режим работы усилительных каскадов. Классы усиления

В зависимости от положения рабочей точки на линии нагрузки усилительного каскада различают несколько режимов работы усилительных каскадов, отличающихся друг от друга своими свойствами.

А, В, АВ – для усилительных каскадов.

С – для резонансных каскадов.

D – ключевой режим.

Режим класса А – это такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи существует в течении времени всего периода сигнала. В режиме класса А рабочая точка находится на середине нагрузочной линии.

Свойства данного режима

1. Минимальные нелинейные искажения.

2. Низкий КПД (недостаток). , — полезная мощность, — потребляемая мощность от всех источников питания.

, — коллекторный ток в режиме покоя.

КПД мал потому что очень большой, , поэтому такой режим работы используется в маломощных усилительных каскадах предварительного усиления.

Режим класса В – это такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи существует в течении половины периода сигнала. Рабочая точка находится на пересечении нагрузочной линии с выходной характеристикой , то есть (см. рис.13.1). Ток протекает половину периода сигнала .

При наличии входного сигнала ток коллектора протекает только в течении одного полупериода, а в течении другого транзистор работает в режиме отсечки тока, так как область ниже кривой при называется областью отсечки (см. рис. 13.1). режиму покоя соответствует напряжение , то есть напряжение на базу не подается при этом . Основное достоинство этой схемы – малое потребление энергии, так как мал и следовательно высокий КПД= 60÷70%. Недостатком режима являются большие нелинейные искажения, так как рабочая точка находится на нелинейном участке входной вольт-амперной характеристики.

Используется в следствии высокой экономичности в усилителях большой мощности, мощных усилительных каскадах, в двухтактных усилительных каскадах, когда в одном такте усиливается одна полуволна, а в другом – другая полуволна.

Режим класса АВ – является промежуточным между режимами А и В. в этом режиме подается такое смещение на базу, чтобы рабочая точка попала на начало линейного участка входной вольт-амперной характеристики. Это позволит существенно уменьшить нелинейные искажения входного сигнала, а КПД останется достаточно большим (см.рис. 13.2). Это наиболее используемый режим отсечки.

Режим класса С – это такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи течет меньше половины периода сигнала, рабочая точка располагается на пересечении линии нагрузки с горизонтальной осью выходной вольт-амперной характеристики (см. рис 13.1). Используется в мощных резонансных усилителях, где нагрузка является резонансный контур (в радиопередающих устройствах).

Режим класса D – это ключевой режим, при котором усилительный элемент находится только в двух состояниях: либо заперт – режим отсечки, либо полностью открыт – режим насыщения. В ключевом режиме потери энергии малы, а КПД – высок и более 90% ,

Используется в импульсных и цифровых схемах.

Каскады усиления мощности.

Обычно являются выходными каскадами к которым подключаются нагрузка и предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности. Могут быть однотактными и двухтактными, трансформаторными и бестрансформаторными. Могут включаться по разным схемам. Они могут быть достаточно разными. Вид выходного каскада определяется режимом работы.