負荷直線の引き方

質問

実験課題で参考URLの図5.1(a)にRb=51kΩを追加した固定バイアス回路を組み、Vce-Ic特性の測定を行いました。
　Vce-Ic特性のグラフは正しく書けたのですが、「このグラフに負荷直線を引け。」という課題が出ました。この負荷直線の引き方が分かりません。図5.3(a)のようにE-C間にRLがあれば
Ic=-Vce/RL+Vcc/RL
となり簡単に分かるのですが、図5.1(a)にはRLがなく、どのように負荷直線を引いたらいいのか分かりません。
　E-C間に抵抗が挿入されてない場合の負荷直線はどうやって引けばよいのでしょうか。
　分かりにくい質問かもしれませんがよろしくお願いします。
　また、蛇足かもしれませんが、Vcc=6Vとした時のVbe-Ib特性、Ib-Ic特性の測定によりhパラメーターのhIEとhFEはすでに求まっています。

参考URL(pdf形式)
http://www.oit.ac.jp/www-ee/server/semicon/Lectures/EC1pdfs/05EC_BJT_op.pdf

回答No.2

Teleskope · ベストアンサー

>>　RLがあれば Ic=-Vce/RL+Vcc/RL と線がひける <<

　その式で RL をどんどん小さくしてゼロに近づけてみましょう。 負荷線は 立つ?寝る? RLを変えても動かない所（軸足 pivot、時計の針の中心軸）はどこでしょう。

　いきなり自力でこういう発想の飛躍は無理としても、次に類似の場面があったら ぜひ自力で。（ 自分で気付くと自信がついて進歩します。）

　で、あなたが至った結論なりを 補足の欄にお書きください。
（ 課題の質問の場合、質問者自身の判断や解決努力が見てとれないものや、課題文章のほぼ丸写し（著作権抵触）は削除されることが多いです。）

補足

失礼致しました。自分の考えは一応あったのですが、自信があまり持てない解答だったので質問文に書くことをためらってしまいました。

自分の考え

　Vce-Ic特性、Vbe-Ib特性、Ib-Ic特性のグラフよりVbeが変化したときのVceの変化、つまり電圧利得Av=Vce/Vbeが分かる。
　Av=Vce/Vbe=hFE*RL/hIE（負記号略）
より RLが求まるのでVcc=6Vとして負荷線を引く。

　しかし、この解答だと負荷直線がIc軸にほぼ平行になってしまい、負荷直線を引く目的である動作点を求めることが出来なくなり、自信がありませんでした。しかし、RLが小さいことはおそらく間違いないく、回答文を拝見しても「その式で RL をどんどん小さくしてゼロに近づけてみましょう。」とのことですので、この解答でも自信が少しわいてきました。

回答No.3

Teleskope

１．
>>　自分の考え…負荷直線がIc軸にほぼ平行になってしまい <<

　　正解！

　　Ic　　　　　　load line
　　│　┌───|─　
　　｜　├───|─　↑
　　｜　├───|─　Ib
　　｜　├───|─　
　　｜　├───|─　
　　┼-┴----─|── Vce

>>　負荷直線を引く目的である動作点を求めることが出来なくなり、自信がありませんでした <<

　上図で 『 Ibを指定すれば、それに応じてVceとIcが定まる 』 のだから動作点そのものでしょうがｗ
ひょっとして、Ic軸に交差しないと駄目なんだと思い込んでました？ 　この機会に、時計の針のように動く負荷線のイメージを持ってください、役立ちます。ピボットがどこか判りますよね？

２．
　難しい話をします。　増幅回路の出力は 電圧波形だけとは限りません、電流波形も普通にありなのです。身近な携帯電話のIC回路でもそれが当たり前に使われてまして,例として下記の Figure３ をごらんください。
　（私のハンドルと同じ名ですが今説明するのは名前の機能ではありません。）
http://www.ent.ohiou.edu/~webcad/ee715/lab1.html
　たぶん MOS の絵に慣れてないと思いますので npnバイポで書き換えます。
（ 参考までに RL負荷抵抗に相当するMOS回路は 電流ミラー（鏡）、能動負荷という名の IC内で常用される回路です。抵抗1本の代わりに何と大げさなと思うかも知れませんが。）

　　　　　　　　　　＋電源
　　　　　　　　　　｜
　　　　　　　　　　RL
　　　　　　　　　　├── 出力
　　　　　　　　　　C
　一定電圧──B　　コモンベース段
　　　　　　　　　　E
　　　　　　　　　　｜
　　　　　　　　　　｜
　　　　　　　　　　C
　　入力電流 ─B　　コモンエミッタ段
　　　　　　　　　　E
　　　　　　　　　　┷
　　　　　　　　　　グランド

　コモンエミッタ回路は電流増幅の機能があって、コモンベース回路の電流増幅率は１ですよね。
上の段のベースは一定電圧なのでエミッタも一定電圧ですから 下の段のコレクタの負荷抵抗はありません。あの図5.1と同じです。　下の段への入力電流は増幅されてコレクタに現れますが、電圧波形になることなく 電流として上のトランジスタを素通りし（増幅率=1）てから RL へ。
　これはわざわざ 「 初段のコレクタに電圧波形が現れないようにした回路 」 なのです。真空管でも使われていた回路です。
　コモンエミッタ増幅回路でコレクタに電圧波形があると(Figure1の回路)、コレクタとベースの間に小さなキャパシタが存在するので、それを通ってベースに 反対勢力（逆相成分）として入って来まして 周波数的な性能が落ちてしまうのです。そうならないように コレクタに電圧波形を出さない回路です。

お礼

ご回答ありがとうございます。
　動作点については勘違いをしていたようです。
　今まで問題の意味を「この回路に最適な動作点を求める。」と捉え、負荷直線の中点が動作点に当たると思っていました。しかしそれではIb、Icが非常に大きくなってしまい、これはおかしいと考え、「動作点が求まらない」としました。
　しかし、問題の意味を「実際に動作する点を求める」と捉えれば、実験で求めたVce-Ic特性と負荷直線が交わる点が問題の答えになると気づきました。
　間抜けな勘違いだったと思います。思えば、この勘違いが負荷直線が引けなかった原因だったのかもしれません。
　回答文のおかげで間違いに気づくことが出来ました。ありがとうございました。

回答No.1

dojustice

図5.1は電流増幅作用の原理を「概念的」に示す図であり、このままでは増幅作用をエネルギーとして取り出すことは出来ません。

実際には、図5.3に示すように負荷抵抗RLを入れてやって初めて、増幅エネルギーを取り出すことが出来ます。
問題の意味はこの「負荷抵抗(RL)の値を決めろ」ということだと思います。（→図5.3の完成）

ですから、図5.6にあるように負荷線を引けばよいはずです。
しかしこの問題の場合、Ｘ軸上の基点は6Ｖにとってよいのですが、勾配（＝RL）の引き方には、(1)振幅を最大に取りたいのか、(2)利得を最大にしたいのか・・・によって異なり、これら条件が明示されないことには、線の引きようがない、と思います。
（最大振幅を取りたい場合には、コレクタ許容損失の条件も必要になります）

お礼

ご回答ありがとうございました。
　負荷線を引く目的は動作点を求めることですので、おそらく振幅を最大に取るということだと思います。

＞問題の意味はこの「負荷抵抗(RL)の値を決めろ」ということだと思います。
　出題者の意図までは考えていませんでした。言われてみれば確かに、この問題にはそういう意味があるのかも知れません。参考にさせていただきます。
　ありがとうございました。