EletrônicaAula 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 foi inventado em 1951, por Shockley.

Transistor

O transistor substituiu as válvulas, anteriormente utilizadas como dispositivos amplificadores de sinais, mas que 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 dacomplexidadedos CIs

Transistor

Tipos– BJT – Transistor de juncao 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 correntedo 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.

nãonãosimMudança de fase da tensão

3.1MΩ3.5KΩ200KΩResistência de saída

30KΩ580KΩ3.5KΩResistência de entrada

simsimsimGanho de corrente

simnãosimGanho de tensão

simsimsimGanho de potência

BCCCECCaracterísticas

Transistor - Configurações

Emisor comum Coletor comum Base comum

Transistor – Emissor comum - características

IE = IB + IC

VCE = VC – VE

VCB = VC – VB

IB = (VBB - VBE )/RB

0.7V

Curva da base

Transistor – Curvas do coletor

Tensão de ruptura

Joelho da curva

Região de saturação

VBE =VγIB > 0

IC/IB < β

Região de corte

VBE < VγIB = 0

IC≈ IE ≈ 0

Corrente IC constante

(região ativa) VBE =VγIB > 0

IC/IB = β ≈ constante

Transistor – regiões de operação

Polarização direta

Polarização direta

Zona de saturação

Interruptores, Portas Lógicas,

Circuitos TTL, etc.

Polarização inversa

Polarização inversa

Zona de corte

AmplificadoresPolarização inversa

Polarização direta

Zona ativa

AplicaçõesJunção BC

(emissor-coletor)

Junção EB

(emissor-base)

Modo de operação

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 =VγIB > 0

IC/IB < β

VB=0,6V

VC=0,2V

VE=0V

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 < VγIB = 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 emissor está polarizado diretamente e o diodo coletor inversamente polarizado.

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

VBE =VγIB > 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

VCC=IC.RC+VCE

Polarização de amplificadoresemissor comum

Transistores BJT

BJT – Polarização de amplificadoresbase 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 adequadode operação com o mínimo deInstabilidade 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).

BJT – Polarização de amplificadoresbase comum

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.

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

Tensão de saída em função da tensão de entrada. Voutmuda linearmente com a mudança de Vin, desde que os outros parâmetros são constantes.

β

Transistor – Ponto de operação(região ativa)

10 V 10 V

Considere 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

Transistor - região ativa

Operação em Região ativa

Laboratório

Se um sinal senoidal de amplitude 10µA é aplicado àbase com o transistor neste ponto de operação:IB + ∆IB = 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 + ∆CE = 1.0 + 1.5 cos(ωt)VCE + ∆VCE = 5.0 – 2.5 cos(ωt)

5 7.52.5

10

5

15

No ponto de operação:IB = 10 µAIC = 1 mAVCE = 5 V

IB = 10 µA + 5 µA

IB = 10 µA - 5 µA

Laboratório

Polarização – (fonte de tensão comum)

InOut

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:

?

Exemplo - Laboratório

Calcular no circuito abaixo os valores de RC, RB, considerando β = 100, VCC= 15 V, de forma que no ponto de polarização (Q), IC = 25 mA e VCE = 7.5 V.

Considerando os resultados obtidos acima, qual será o novo ponto Q quando β = 200.

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

considerandotemos que:

Vf=VBE

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 RB << 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:

≈=>

Observe que VCE independe do ganho

≈ ≈=>

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 or VE > 10*0.1 = 1V

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:

VINVOUT =VCE

VBE

Laboratório

Projetar um circuito estável, com realimentação, com um ponto Q de IC = 2.5mA e VCE = 7.5V. Considere β entre 50 e 200.

Considere que o ponto Q se localiza no meio da curva da região ativa e que VCC = 2*VCE

Para:– na configuração realimentação simples via emissor;– na configuração realimentação divisor de tensão na base;– na configuração realimentação coletor-base.

7.5

2.5