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Eletrônica 1
Aula 04 (Introdução ao transistor)
CIN-UPPE
Transistor n 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 – ...............
Transistor
n 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
n A invenção do transistor permitiu uma revolução na integração de funções em um único componente, o circuito integrado.
Transistores n Válvula n Primeiro transistor de germânio
John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley 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
n 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
n IE = IB + IC
Modelo convencional
IC
IE
IB
Modelo Real
IC
IE
IB
n 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.
n 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
n Transistores de baixa potência têm ganho de corrente da ordem de 100 a 200.
n 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 10 -100 KΩ 100KΩ - 1MΩ 10 -100 Ω
Resistência de saída 200KΩ 50Ω - 5KΩ 100KΩ - 1MΩ
Mudança de fase da tensão sim não não
Transistor - Configurações
Emisor comum Coletor comum Base comum
Transistor – Emissor comum - características
n IE = IB + IC
n VCE = VC – VE
n VCB = VC – VB
IB = (VIN - VBE )/RB
0.7V
Curva da base Out (VCE)
VBE
VCE
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
0.7V
Curva da base
C
E
B
Curva de carga
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
n Região de saturação – Está região representa a região no qual a corrente do coletor
cresce bastante com o redução 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
n 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<0,6V
VC=10V
VE=0V
IC≈0mA
Transistor – Região ativa
n 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 n 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
VOUT= VCE = VCC-IC.RC
VBE
VCE
ic
Entrada Saída
Transistor – curvas características
Saída
Polarização de amplificadores emissor comum
Transistores BJT
BJT – Polarização de amplificadores emissor comum
http://www.eng.fsu.edu/~ejaz/EEL3300L/lab8.pdf
Vout=VCE=VCC-IC.RC, onde IC/IB=β
VCE=VCC-β. IB.RC, com IB=(VIN-VBE)/RB =>
VCE=VCC-β.(RC /RB)(VIN-VBE)
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 BC547B, que pode ter ganho entre 200-450, 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.
VCE
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
VCE
(Cálculo de IB) (Cálculo de VCE)
Transistor - região ativa (Cálculo do ponto de Operação)
Operação em Região ativa
(Cálculo de IE)
Laboratório
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
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)
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:
VCE = Vout
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
Considerando que I1=I2
Polarização com realimentação n 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
n 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 RBB 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
n Cálculo do valor para VE: n Observe que VBE pode variar (0.6 a 0.8 V) para o silício, principalmente
com o aumento da temperatura. n 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 10*VBE ou seja VE= 10*0.1 = 1.0V
Exemplo CC
n 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
n Análise n Encontrar RC, RE, R1, R2
n Considerações
– Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga: • VCC= 2VCE= 2x7.5V = 15.0 V
n 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
= 200 Ω
= 1.3 KΩ
+15V
n 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*200 VBB = 1.7 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
=200 Ω
= 1.3 KΩ
+15V
26,4 KΩ
3,6 KΩ
Circuito polarizado
VCE = 7,5V
VE = 1,0V
VB = 1,7V
= 5 mA
Inserção de sinal CA: - Inserir sinal CA e 200mV (p-p), a 10KHz, que vai alimentar uma carga RL = RC. - Calcular todos os capacitores envolvidos; ganho de tensão. - Simular o circuito e analisar resultados.