Нагрузочные линии – полезный инструмент анализа
К графическому построению нагрузочных линий прибегают при работе с некоторыми нелинейными элементами (например, с туннельными диодами). Вообще такая методика представляет собой интересный и полезный инструмент анализа.
Начнем с примера. Допустим, нас интересует падение напряжения на диоде, представленном на рисунке:
Предположим, что вам известна вольт-амперная характеристика используемого диода (конечно, существует некоторый технологический разброс, а также сказывается влияние температуры окружающей среды): пусть она имеет такой вид, как показано на графике. Как определить положение точки покоя?
Один метод заключается в том, что нужно грубо задать величину тока, скажем 0,6 мА, затем с помощью вольт-амперной характеристики определить падение напряжения на резисторе, затем на основании этого результата определить новую величину тока (в данном случае 0,48 мА). Этот итеративный метод проиллюстрирован на рисунке. После нескольких итераций мы получим ответ, который, правда, оставляет желать лучшего. С помощью метода нагрузочных линий ответ на подобный вопрос можно получить сразу же. Представьте себе, что вместо диода включен некоторый элемент. Резистор с сопротивлением 1,0 кОм по-прежнему выступает в качестве нагрузки.
А теперь давайте построим на вольт-амперной характеристике график зависимости тока, протекающего через резистор, от напряжения на элементе. Оказывается, построить такой график не трудно:
— при напряжении 0 В ток равен просто U+/R (полное падение напряжения на резисторе);
— при напряжении U+ ток равен нулю;
— все промежуточные значения лежат на прямой, соединяющей эти две точки.
Теперь на том же самом графике построим вольт-амперную характеристику элемента. Рабочая точка (точка покоя) принадлежит одновременно двум графикам, т. е. совпадает с точкой их пересечения, как показано на рисунке:
При использовании метода нагрузочных линий для 3-выводных элементов (например, для лампы или транзистора) строят семейство вольт-амперных характеристик элемента. На рисунке ниже в качестве примера приведен обедненный полевой транзистор и семейство характеристик, построенных для различных значений напряжения между затвором и истоком.
Выходное напряжение для заданного входного сигнала можно получить, если спроектировать на ось напряжения отрезок нагрузочной линии, заключенный между точками ее пересечения с вольт-амперными характеристиками, соответствующими входному сигналу. На примере показано напряжение стока для изменения напряжения на затворе (входного) от значения потенциала земли до -2 В.
На первый взгляд этот метод очень хорош, но по целому ряду причин его использование для схем с транзисторами и полевыми транзисторами очень ограничено.
Во-первых, вольт-амперные характеристики, указываемые для полупроводниковых элементов, являются «типичными», а их технологический разброс может быть 5-кратным. Представьте, какой результат можно получить с помощью метода нагрузочных линий, если все характеристики сожмутся в 4 раза!
Во-вторых, для элементов, обладающих логарифмическими характеристиками, таких, как диодный переход, линейная нагрузочная линия дает точный результат только на небольшом участке.
И наконец, для всех элементов на твердом теле подходят неграфические методы. Эти методы, в частности, основаны на таких параметрах элементов, на которые можно положиться (rэ, Ik при данных Uбэ и Т°С и т.п.), а не на параметрах, подверженных большим изменениям (h21э, напряжение отсечки и т.п.). Во всяком случае, использование метода нагрузочных линий для транзисторов на основе публикуемых в паспортных данных характеристик дает нам ложное чувство уверенности в своих результатах, так как в этих характеристиках не учтен разброс.
Метод нагрузочных линий очень полезен для понимания работы схем, в состав которых входят нелинейные элементы. Некоторые интересные моменты иллюстрирует пример с туннельным диодом. Рассмотрим схему, представленную на рисунке.
Отметим, что в данном случае роль питающего напряжения играет напряжение Uвх. Изменение сигнала от пика до пика порождает семейство параллельных нагрузочных линий, пересекающихся с вольт-амперной характеристикой элемента:
Приведенные значения соответствуют сопротивлению 100 Ом для резисторов нагрузки. Как следует из графика, выходной сигнал быстрее всего изменяется, когда нагрузочная линия пересекает участок отрицательного сопротивления на характеристике диода. Значения Uвых (представляющие собой проекцию на ось х), соответствующие различным значениям Uвх (отдельные нагрузочные линии), образуют представленную в этом же примере передаточную характеристику.
Рассматриваемая схема обеспечивает некоторое усиление по напряжению для входных напряжений вблизи значения 0,2 В.
Интересное явление наблюдается в том случае, когда нагрузочные линии становятся более пологими, чем средняя часть характеристики диода. При этом сопротивление нагрузки превышает абсолютную величину отрицательного сопротивления диода и возможны две точки пересечения с характеристикой диода, как на рисунке:
