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Eletrônica II

Germano Maioli Penello

gpenello@gmail.com

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Eletronica II _ 2015-1.html

Aula 12

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Transistor de junção bipolar

Da mesma forma que vimos o MOSFET, apresentaremos agora o BJT

• Estrutura física

• Como a tensão entre dois terminais controla a corrente e qual a

equação que descreve esta relação IxV

• Como analisar e projetar circuitos com BJT

• Como construir um amplificador linear

• Configurações de amplificadores

• Circuitos com componentes discretos.

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BJT – estrutura físicaPolarização das junções

Duas junções pn: Junção emissor-base (EBJ)Junção coletor-base (CBJ)

A região ativa é utilizada para construit um amplificador

As regiões de saturação (não confundir com o MOSFET!) e corte são utilizadas para chaveamento

Ver modelo de Ebers-Moll

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BJT – região ativa

IS é inversamente proporcional ao tamanho da base (W) e diretamente proporcional à área da EBJ.

IS ~ 10-12 a 10-18 A (extremamente dependente da temperatura, dobrando a cada 5C)

VT ~25 meV (@300K)

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BJT – região ativa

Corrente de base (duas componentes)

h+ injetados no emissor – iB1 h+ fornecidos para a recombinação – iB2

iB = iB1 + iB2

Proporcional à corrente coletada:

b é um parâmetro do transistor (50 ~200)Chamado de ganho de corrente de emissor

comum

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BJT – região ativa

Corrente de emissor

Regra dos nós iE = iC + iB

Ex: Se b = 100, a = 0.99 a é chamado de ganho de corrente de base comum

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BJT

http://php.scripts.psu.edu/users/i/r/irh1/SWF/Semiconductors.swf

Acompanhe a animação a partir de Diodo/rectifier

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BJT – símbolo e resumo da região ativa

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Efeito Early

Na região ativa, a corrente depende ligeiramente de vCE

Valores de tensão baixos (VCB < -0.4V), CBJ está polarizado diretamente e estamos na região de saturação.

VCB > -0.4V, CBJ está polarizado reversamente e estamos na região ativa.

E

B

Sat

Ativa

~0,4V

~0,3V

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Exercício

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Exercício

Note que os dois transistores não conduzem simultaneamente.

VBE Q1 = VEB Q2

Se EBJ de Q1 está polarizado diretamente, EBJ de Q2 está polarizado reversamente

Neste caso, Considerando que Q2 conduz (Q1 em corte):

Corrente flui do R1k para a base de Q2. Portanto, a base está em um potencial negativo e a corrente deveria fluir da base para o potencial +5V, o que é um impossível!

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Exercício

5 – 10k x IB – 0.7 – 1k x IE = 0

IB = 4.3/(10k + 101k) = 0.039 mA

Corrente flui do R1k para a base de Q2. Portanto, a base está em um potencial negativo e a corrente deveria fluir da base para o potencial +5V, o que é um impossível! Com isto, percebemos que Q1 conduz enquanto Q2 está em corte.

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Exercício

IE = 0.039 x (101) = 3.9 mA

VE = 3.9 m x 1k = 3.9V

VB = 5 – 10k * 0.039 m = 4.61V

BJT como amplificador

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BJT tem que estar na região ativa (fonte de corrente controlada por tensão)

Corrente ic em função de vBE

Claramente não linear (relação exponencial)

Desejamos um amplificador de tensão. Como fazer para que uma fonte de corrente seja transformada em uma fonte de tensão?

Já fizemos algo similar com o MOSFET!

BJT como amplificador

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vCE

BJT como amplificador

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Na região ativa:

Relação não linear!

vCE

BJT como amplificador linear

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Polarizando o BJT

Ponto de operação DC (quiescente)

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BJT como amplificador linearSuperpondo AC e DC:

O amplificador só será linear se o sinal de entrada tiver uma pequena amplitude.

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BJT como amplificador linearGanho de sinal pequeno

Inclinação da reta no ponto Q

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BJT como amplificador linearGanho de sinal pequeno

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BJT como amplificador linearGanho de sinal pequeno

Ganho negativo!

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BJT como amplificador linearGanho de sinal pequeno

Ganho negativo!

Ganho é dado pela razão entre a queda de tensão em Rc e a tensão térmica.

Ainda não estamos nomeando as configurações dos amplificadores, mas baseado no que aprendemos no MOSFET, qual é o nome desta configuração?

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BJT como amplificador linearGanho de sinal pequeno

Ganho negativo!

Ganho é dado pela razão entre a queda de tensão em Rc e a tensão térmica.

Alto VRc causa baixo vCE limitando a varredura de sinal negativos na saída.

Aproximação de sinal pequeno

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Análise DC: Incluindo fonte de tensão AC:

Aproximação de sinal pequeno

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Análise DC: Incluindo fonte de tensão AC:

Aproximação de sinal pequeno

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Análise DC: Incluindo fonte de tensão AC:

Aproximação de sinal pequeno:

Se vbe << Vt, podemos simplificar a exponencial por uma série de potência

(série de taylor)

Aproximação de sinal pequeno

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A aproximação só é válida quando vbe << Vt.

Para fins práticos, à temperatura ambiente (Vt ~ 25mV) vbe < 10mV.

Dentro desta aproximação:

Aproximação de sinal pequeno

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A aproximação só é válida quando vbe << Vt.

Para fins práticos, à temperatura ambiente (Vt ~ 25mV) vbe < 10mV.

Dentro desta aproximação:

A corrente é composta de uma componente DC e uma componente AC

Aproximação de sinal pequeno

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A aproximação só é válida quando vbe << Vt.

Para fins práticos, à temperatura ambiente (Vt ~ 25mV) vbe < 10mV.

Dentro desta aproximação:

A corrente é composta de uma componente DC e uma componente AC

Analisando a componente AC:

Chamamos gm de transcondutância

Onde:

Transcondutância

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A transcondutância do BJT é proporcional à corrente IC

Para que a transcondutância seja previsível, precisamos de IC estável (ponto quiescente estável)! E também temperatura estável.

IC ~ 1mA gm ~ 40 mA/V (transcondutância maior que do MOSFET)

Segmento linear na curva exponencial

iB e resistência de entrada na

baseResistência vista pela fonte de sinal AC:

A resistência é a razão entre o sinal aplicado e a corrente

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iB e resistência de entrada na

base

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Resistência vista pela fonte de sinal AC:

A resistência é a razão entre o sinal aplicado e a corrente

Calculando a corrente ib, determinamos a resistência de entrada na base

Só estamos interessados na corrente de sinal

portanto

iB e resistência de entrada na

base

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Resistência vista pela fonte de sinal AC:

A resistência é a razão entre o sinal aplicado e a corrente

rp é proporcional a b e inversamente proporcional à corrente de base IB (consequentemente à corrente de polarização IC)

iE e resistência de entrada no

emissor

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Resistência vista pela fonte de sinal AC:

A resistência é a razão entre o sinal aplicado e a corrente

iE e resistência de entrada no

emissor

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Resistência vista pela fonte de sinal AC:

A resistência é a razão entre o sinal aplicado e a corrente

Calculando a corrente ie, determinamos a resistência de entrada no emissor

Novamente, estamos interessados apenas na corrente de sinal

Portanto,

iE e resistência de entrada no

emissor

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Resistência vista pela fonte de sinal AC:

A resistência é a razão entre o sinal aplicado e a corrente

Relação entre re e rp

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(a) Calcular IC. A partir de IC, calcular VBE

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(b) Relacione vCE com vBE e utilize a equação

Daria para utilizar a transcondutância?

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(c) Limite da saturação? Corrente neste limite? Novo vBE? Diferença entre o novo vBE e o

antigo?

vCE

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(d) Para vCE = 0.99VCC, qual a nova corrente? Qual o novo vBE? Qual é a variaçã em vBE?

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