Eletrônica Aula 04 - transistor

CIN-UPPE

Transistor   O transistor é um dispositivo semicondutor que tem como função

principal amplificar um sinal elétrico, principalmente pequenos sinais, tais como: –  Sinal de TV –  Sinal de rádio –  Sinal biológico –  ...............

  O primeiro transistor de junção (Germânio) foi inventado em 1951, por Shockley.

Transistor

  O transistor substituiu as válvulas, anteriormente utilizadas como dispositivos amplificadores de sinais, as quais apresentavam desvantagens, tais como: –  Alto aquecimento –  Pequena vida útil (alguns milhares de horas) –  Ocupa mais espaço que os transistores

  A invenção do transistor permitiu uma revolução na integração de funções em um único componente, o circuito integrado.

Transistores   Válvula   Primeiro transistor de germânio

John Bardeen and Walter Brattain at Bell Laboratories.(1947)

PDP-8 Primeiro Microcomputador Em transistor(1965)

Primeiro transistor comercial em silício(1954)

4004 Primeiro Microcomputador Em CI (1971)

Evolução da complexidade dos CIs

Transistor

  Tipos –  BJT – Transistor de junção (bipolar)

•  Bipolar (elétrons e buracos) –  MOS – Metal Óxido Silício

•  Unipolar (elétrons)

Transistor de Junção (BJT) - NPN

E

C

B

Transistor de Junção (BJT) - PNP

E

C

B

Correntes no transistor

  IE = IB + IC

Modelo convencional

IC

IE

IB

Modelo Real

IC

IE

IB

  O que torna o transistor interessante e útil é o fato de que a corrente de coletor é bem maior que a corrente de base.

  Para um transistor típico, 95% a 99% dos portadores da carga do emissor são emitidos pelo coletor e constituem-nos quase toda a corrente de coletor.

Transistor

α ≅ 0.95 α = IC / IE

IC e ligeiramente menor do que IE

O ganho de corrente de um transistor é definido como a corrente do coletor dividida pela corrente da base

β = IC / IB

Transistor - característcas

  Transistores de baixa potência têm ganho de corrente da ordem de 100 a 200.

  Transistores de alta potência têm ganho de corrente da ordem de 20 a 100.

Características EC CC BC Ganho de potência sim sim sim Ganho de tensão sim não sim Ganho de corrente sim sim sim Resistência de entrada 3.5KΩ 580KΩ 30KΩ Resistência de saída 200KΩ 3.5KΩ 3.1MΩ Mudança de fase da tensão sim não não

Transistor - Configurações

Emisor comum Coletor comum Base comum

Transistor – Emissor comum - características

  IE = IB + IC

  VCE = VC – VE

  VCB = VC – VB

IB = (VIN - VBE )/RB

0.7V

Curva da base out

VBE

Transistor – Curvas do coletor

Tensão de ruptura

Joelho da curva

Região de saturação

VBE =Vγ IB > 0 IC/IB < β

Região de corte

VBE < Vγ IB = 0 IC≈ IE ≈ 0

Corrente IC constante (região ativa) VBE =Vγ

IB > 0 IC/IB = β ≈ constante

IB = (VIN - VBE )/RB

0.7V

Curva da base

C

E

B

Transistor – regiões de operação

Modo de operação

Junção EB (emissor-base)

Junção BC (emissor-coletor)

Aplicações

Zona ativa Polarização direta

Polarização inversa

Amplificadores

Zona de corte Polarização inversa

Polarização inversa

Interruptores, Portas Lógicas, Circuitos TTL,

etc. Zona de saturação

Polarização direta

Polarização direta

Transistor – Região de saturação

  Região de saturação –  Está região representa a região no qual a corrente do coletor

cresce bastante com o aumento da tensão entre o coletor e emissor (0 a 1 V)

–  Nesta região o diodo coletor base está diretamente polarizado. –  O valor de resistência da carga deve ser pequena bastante para

levar o transistor para a saturação, de forma que quase toda a tensão da fonte é aplicada na carga.

carga

VBE =Vγ IB > 0 IC/IB < β

VB=0,6V

VC=0,2V

VE=0V

VC=0,2V

VC≅9,8V

IC = IB*βmA

Transistor – Região de corte

  Região de corte –  Nesta região a corrente de base é nula. –  Existe apenas nesta configuração uma pequena corrente de fuga do

coletor.

VBE < Vγ IB = 0 IC≈ IE ≈ 0

VBE<0,7V

VC=10V

VE=0V

IC≈0mA

Transistor – Região ativa

  Região ativa –  Está região representa a operação normal do transistor. Nesta

região o diodo base-emissor está polarizado diretamente e o diodo base-coletor inversamente polarizado.

–  Nesta região, o coletor captura praticamente todos os elétrons que o emissor está jogando na base.

VBE =Vγ IB > 0 IC/IB = β ≈ constante

VBE>0,7V

VC

VE=0V

IC VC> VB

Transistor – Reta de carga - Polarização   A reta de carga possui todos os pontos de operação do circuito,

considerando as características do transistor. Ponto de saturação – ponto onde a reta de carga intercepta a região de saturação das curvas do coletor. Ponto de corrente Ic máxima do circuito

Ponto de corte – corrente Ic mínima do circuito

Ponto Q(operação)

VCC=IC.RC+VCE

Transistor – curvas características

VOUT=VCE=VCC-IC.RC

VBE

VCE

Polarização de amplificadores emissor comum

Transistores BJT

BJT – Polarização de amplificadores emissor comum

http://www.eng.fsu.edu/~ejaz/EEL3300L/lab8.pdf

Vout=VCC-IC.RC, onde IC/IB=β

Vout=VCC-β. IB.RC, com IB=(VIN-Vf)/RB =>

Vout=VCC-β.(RC /RB)(VIN-Vf)

Encontrar um ponto adequado de operação com o mínimo de Instabilidade possível

Parâmetros de instabilidade •  temperatura •  o ganho de corrente β pode variar bastante entre transistores

Observe que a tensão de saída depende diretamente de β (ganho do transistor).

  Neste tipo de configuração a necessidade de mudança de transistores, por exemplo, o 2N3904, que pode ter ganho entre 130-200, pode acarretar mudanças significativas na amplificação do sinal.

  Observe que a tensão de saída depende diretamente de β (ganho do transistor).

  O transistor pode ir da região ativa para a de saturação.

Transistor – Ponto de operação (região ativa)

10 V 10 V

Cálculo do ponto de operação do circuito: Considere o circuito acima com VBE = 0,7V ; β = 100

IB = (10-0,7)V/300KΩ= 31µA

IC = β. IB => IC = 3,1 mA

VCE = 10-IC.RC => VCE = 10-3,1= 6,9 V

RB = 300KΩ

6,9

3,1

(mA)

(V)

Curva de carga

VCE = VCC-IC.RC

(Cálculo de IB) (Cálculo de VCE)

Transistor - região ativa (Cálculo do ponto de Operação)

Operação em Região ativa

(Cálculo de IE)

Laboratório

Se um sinal senoidal de amplitude 10µA é aplicado à base com o transistor neste ponto de operação: IB + ΔIB = 10 µA + 5 cos(ωt)

Se IB varia, VBE também varia e conseqüentemente IC e VCE. Assim, com valor central no ponto de operação: IC + ΔCE = 1.0 + 1.5 cos(ωt) VCE + ΔVCE = 5.0 – 2.5 cos(ωt)

5 7.5 2.5

1.0 0.5

1.5

No ponto de operação: IB = 10 µA IC = 1 mA VCE = 5 V

IB = 10 µA + 5 µA

IB = 10 µA - 5 µA

Laboratório

Polarização – (fonte de tensão comum)

In Out

O ponto de operação do circuito (ponto Q) pode ser calculado a partir do cálculo de RB, RC, VCC e ganho β. Observamos que VCE depende de β diretamente.

Calcular Vout (VCE) no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:

?

Polarização

Se ou temos:

BE

I1 = IC+IB , como IC>>IB I1 ≅ IC

Desde que IC é independente de β o ponto de operação é estável.

Cálculo de VCE (verificação do ponto de operação)

BE BE

Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:

VIN VOUT =VCE

VBE

BJT – Polarização de amplificadores emissor comum (realimentação no emissor)

Assim, no ponto Q, Vout é dado por:

Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:

IB=(VIN-Vf-IE.RE)/RB

Neste modelo de polarização observamos que o valor do parametro β não interfere significativamente se considerarmos certas relações entre RB e RE

considerando temos que:

Vf=VBE

Como Substituindo IE em IB, temos que: IB=(VIN-Vf)/(RB+(Bf+1)RE)

Como então:

BJT – Polarização com divisor de tensão

Equivalente Thevenin

Encontrar VBB e RBB

Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:

VOUT

VIN

VBB VBE

Resistência equivalente

Considerando: IE≈ IC ≈ βIB

IB deve ser pequena para não afetar a polarização

Tensão na base

IB

Polarização com realimentação   Em geral, devemos escolher um valor RBB << β RE para termos uma

condição de realimentação efetiva, ou seja, fazer com que a corrente do coletor, e conseqüentemente VCE, independam (muito) do ganho do transistor, assim:

considerando RBB << β RE =>

≈ =>

Observe que VCE independe do ganho

Assim,

≈ Como Ic= βIB => =

Análise CC – estabilidade do circuito

  Estabilidade do circuito: utilização do do resistor no emissor (RE)

VBB = RBBIB+VBE+IERE

constante constante

Se IE aumenta, então VE = REIE também aumenta. Mas, desde que VBB e RB não mudam na malha BE, IB deveria diminuir, reduzindo assim o valor de IC para seu valor original de projeto e o circuito tende a estabilidade. Se IC diminui IB aumenta.

VBE

Polarização com realimentação

  Cálculo do valor para VE:   Observe que VBE pode variar (0.6 a 0.8 V) para o silício,

principalmente com o aumento da temperatura.   Assim, para que esta oscilação VBE não interfira no circuito de

polarização, devemos fazer com que a tensão no emissor seja imune a está variação. Assim, se considerarmos a variação de 0.1 V, teríamos:

Se VBE oscila em torno e 0.1 V, VE = IE.RE >> 0.1 V;

Considere portanto VE em torno 10VBE ou seja VE= 10*0.1 = 1.0V

Exemplo CC

  Projete um circuito estável com um ponto Q de IC = 5.0 mA e VCE = 7.5 V. Considere β =100.

Q (ponto de operação)

+15 V

  Análise   Encontrar RC, RE, R1, R2

  Considerações

–  Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga: •  VCC= 2VCE= 2x7.5V = 15.0 V

  Encontrar RC e RE

– Encontrar equação de tensão da malha CE

• VCE = VCC-IC(RC+RE ) => RC+RE = 7.5/(5.0x10-3)

RC+RE = 1.5K Ω

•  A escolha é livre, mas devemos assegurar que VE=IE.RE > 1V Assim, RE > 1/IE . Como IE ≈ IC, RE > 200 Ω

Se fizermos RE = 220 Ω, RC= 1.2K Ω = 220 Ω

= 1.2 KΩ

+15V

  Exercício: Encontrar R1 e R2

Cálculo de R1 e R2

Como IB=IC/β => IB= 5/100=0.05mA

Considerando I1 =I2 ≅ 10*IB= 0.5mA

Com VBB =VBE+IERE

VBB =0.7+ 0.005*220

VBB = 1.8 V

R1 = (Vcc-VBB)/I1, assim,

R1 = (15-1.8)/0.0005 =>

R1 = 26.4 KΩ

R2 = (VBB)/I1, assim,

R2 = (1.8)/0.0005 =>

R2 = 3.6 KΩ