晶体管负载线分析

到目前为止，我们已经讨论了晶体管的不同工作区域。但在所有这些区域中，我们发现晶体管在有源区工作良好，因此它也被称为线性区。晶体管的输出是集电极电流和集电极电压。

输出特性

当考虑晶体管的输出特性时，对于不同的输入值，曲线如下所示。

在上图中，针对不同的基极电流I_B值，绘制了集电极电流I_C和集电极电压V_CE之间的输出特性。这里考虑了不同的输入值以获得不同的输出曲线。

负载线

当考虑最大可能的集电极电流值时，该点将出现在 Y 轴上，这只不过是饱和点。同样，当考虑最大可能的集电极发射极电压值时，该点将出现在 X 轴上，这是截止点。

当绘制一条连接这两点的线时，这样的线可以称为负载线。之所以这样称呼，是因为它象征着负载时的输出。这条线在输出特性曲线上绘制时，与称为工作点或静态点或简称为Q 点的点接触。

负载线的概念可以从下图中理解。

负载线由饱和点和截止点连接而成。位于这两个点之间的区域是线性区域。晶体管在此线性区域中充当良好的放大器。

如果仅在对晶体管施加直流偏置但未施加输入信号时绘制此负载线，则这种负载线称为直流负载线。而在施加输入信号和直流电压的情况下绘制的负载线称为交流负载线。

直流负载线

当晶体管被施加偏置且其输入端未施加信号时，在这种情况下绘制的负载线可以理解为直流条件。这里不会有放大，因为信号不存在。电路如下所示。

任何给定时间的集电极发射极电压值为

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

由于 V_CC 和 R_C 是固定值，因此上述方程是一次方程，因此输出特性上将是一条直线。这条线称为直流负载线。下图显示了直流负载线。

要获得负载线，必须确定直线的两个端点。假设这两点分别为 A 和 B。

要获得 A

当集电极发射极电压 V_CE = 0 时，集电极电流最大，等于 V_CC/R_C。这给出了 V_CE 的最大值。如下所示

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

$$0 = V_{CC} - I_C R_C$$

$$I_C = V_{CC}/R_C$$

这给出了集电极电流轴上的点 A (OA = V_CC/R_C)，如上图所示。

要获得 B

当集电极电流 I_C = 0 时，集电极发射极电压最大，等于 V_CC。这给出了 I_C 的最大值。这显示为

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

$$= V_{CC}$$

(AS I_C = 0)

这给出了点 B，即上图所示的集电极发射极电压轴上的 (OB = V_CC)。

因此，我们确定了饱和点和截止点，并了解到负载线是一条直线。因此，可以绘制直流负载线。

交流负载线

前面讨论的直流负载线分析了未施加交流电压时集电极电流和电压的变化。而交流负载线给出峰峰值电压，或给定放大器的最大可能输出摆幅。

为了便于理解，我们将考虑 CE 放大器的交流等效电路。

从上图可知，

$$V_{CE} = (R_C // R_1) imes I_C$$

$$r_C = R_C // R_1$$

晶体管要用作放大器，必须处于有源区。静态点的选择方式是，最大输入信号偏移在负半周期和正半周期上都是对称的。

因此，

$V_{max} = V_{CEQ}$ 和 $V_{min} = -V_{CEQ}$

其中 V_CEQ 是静态点处的发射极-集电极电压

下图表示在饱和点和截止点之间绘制的交流负载线。

从上图可以看出，饱和点处的电流 IC 为

$$I_{C(sat)} = I_{CQ} + (V_{CEQ}/r_C)$$

截止点的电压 V_CE 为

$$V_{CE(off)} = V_{CEQ} + I_{CQ}r_C$$

因此，相应 V_CEQ = V_CEQ / (R_C // R₁) 的最大电流为

$$I_{CQ} = I_{CQ} * (R_C // R_1)$$

因此，通过添加静态电流，交流负载线的端点为

$$I_{C(sat)} = I_{CQ} + V_{CEQ}/ (R_C // R_1)$$

$$V_{CE(off)} = V_{CEQ} + I_{CQ} * (R_C // R_1)$$

交流和直流负载线

当交流和直流负载线以图表形式表示时，可以理解它们并不相同。这两条线在Q 点或静态点处相交。交流负载线的端点是饱和点和截止点。这可以从下图中看出。

从上图可以看出，当基极电流 IB 的值为 10mA 时，可获得静态点（暗点）。这是交流和直流负载线相交的点。

在下一章中，我们将详细讨论静态点或工作点的概念。