Tbj Revision Comp

ELETRNICATransistores Bipolares de Juno

Prof. Davidson Lafitte Firmohttp://www.ppgel.net.br/davidson

[email protected]

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO JOO DEL REIELETRNICA

Transistores Bipolares de Juno

17/10/14

1 de 93

Tema da aula: Transistores Bipolares de Juno

Objetivos: Apresentar o componente de circuito Transistor Bipolar

e verificar algumas de suas aplicaes em eletrnica; Conhecer de forma qualitativa o princpio de

funcionamento desse componente de circuito; Apresentar os modelos matemticos que quantificam

o comportamento desse dispositivo em diferentes situaes;

Apresentar aplicaes relevantes para esse novo dispositivo de circuito.



2 de 93

Tema da aula: Transistores Bipolares de Juno

FONTES:Microeletrnica (SEDRA/SMITH 5 edio): Captulo 5;

Dispositivos eletrnicos e teoria de circuitos (BOYLESTAD / NASHELSKY 8 edio): Captulos 3 e 4;



3 de 93

4 de 93

O TRANSISTOR

Necessidade de amplificao de sinais



AmplificadorSinal de entrada Sinal de sada

5 de 93

O TRANSISTOR

Necessidade de amplificao de sinais



Perda de energia!

Grande volume!

Aguardar o aquecimento para

iniciar o uso!

Caros!Mais

susceptveis a defeitos!

6 de 93

O TRANSISTOR

Necessidade de amplificao de sinais1947Dr. Walter H. BrattainDr. John BardeenDr. William Shockley



Prmio Nobel 1956!

7 de 93

O TRANSISTOR



8 de 93

O TRANSISTOR



Menor!

Mais leve!

No necessita de aquecimento

prvio!Mais Eficiente!

Menor nvel de tenso

9 de 93

O TRANSISTOR

O princpio de funcionamentoNPN



10 de 93

O TRANSISTOR

O princpio de funcionamentoPNP



11 de 93

O TRANSISTOR




P NN

12 de 93

O TRANSISTOR




N NP

++

+

+

+

++

+

+

+++

+

+

+

++

+

-

+

++

+

+

+-

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-

-

-

13 de 93

O TRANSISTOR




Emissor N Coletor NBase P

E E

- -- -- -- -- -- -- -- -- -

+ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ +

CE

B

14 de 93

O TRANSISTOR




E E

- -- -- -- -- -- -- -- -- -

+ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ +

CE

B

+-VBE

15 de 93

O TRANSISTOR




E E

---------

+++++++++++

CE

B

+-VBE

-

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-

- -

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-

+

-

+

-

+

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- +

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--

I

++

+

+

+

++

+

+

+

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-

+

+-

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-

+

16 de 93

O TRANSISTOR




E E

---------

+++++++++++

CE

B

+-VBE

-

-

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- -

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-

+

-

+

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+

-

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- +

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--

I

++

+

+

+

++

+

+

+

-

-

+

+-

-

-

-

+

+-VCB

17 de 93

O TRANSISTOR




E E

---------

+++++++++++

CE

B

+-VBE

-

-

-

-

- -

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-

+

-

+

-

+

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-

- +

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I

++

+

+

+

++

+

+

+

-

-

+

+-

-

-

-

+

+-VCB

I

- -- -- -- -- -- -- -- -- -

+ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ +

---------

+++++++++++

18 de 93

O TRANSISTOR




E E

---------

+++++++++++

CE

B

+-VBE

-

-

-

-

- -

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-

-

+

-

+

-

+

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- +

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--

I

++

+

+

+

++

+

+

+

-

-

+

+-

-

-

-

+

+-VCB

I

- -- -- -- -- -- -- -- -- -

+ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ +

---------

+++++++++++

19 de 93

O TRANSISTOR

NPN



I E=I B+ IC

Simbologia

20 de 93

O TRANSISTOR

PNP



Simbologia

I E=I B+ IC

21 de 93

O TRANSISTOR

Os modos de operao do TBJ



Modos de operao do TJB

Modo Juno Emissor Base - JEB Juno Coletor Base - JCB

Corte Reversa Reversa

Ativo Direta Reversa

Ativo Reverso Reversa Direta

Saturao Direta Direta

B

C

E

B

C

E

22 de 93

O TRANSISTOR Formulao Matemtica (modelagem)

NPN Operao no modo Ativo



iC iB

iC=f (vBE)

B

C

E

iC=I se( vBEV T )

iC=iB iB=iC =

I se

( vBEV T )

23 de 93


NPN Operao no modo Ativo



B

C

E

=f (readabase ,dopagemdabase e emissor)

Ganho de corrente em emissor comum ----> DADO DE CATLOGO!

24 de 93


NPN Operao no modo AtivoResumo



B

C

E

iE=iC+ iB iC=iB

iE=iC + iC

iE=(+ 1) iC

(+ 1)

=

iC=I SevBEV T

25 de 93





26 de 93





27 de 93


ExemploA tenso no emissor foi medida como -0,7V. Se =50, calcule IC, IB, IE e VC.



28 de 93


ExemploA tenso VB = 1V e VE = 1,7V. Quais os valores de e para esse transistor? Qual o valor de VC?



29 de 93

O TRANSISTOR Representao Grfica

As Curvas Caractersticas do Transistor



iC=I S(evBEV T1)

30 de 93





iC=I S(evBEV T1)

31 de 93





32 de 93





Regio Ativa

33 de 93





Regio de saturaochave fechada!

34 de 93





Regio de cortechave aberta!

35 de 93



AC=(3 . 2mA2.2mA )(30 A20A )

DC=(2.7mA )(25A )

AC=100

DC=108

AC=hfe

36 de 93


O efeito Early



37 de 93


O efeito Early - MODELAGEM



iC=I SevBEV T (1+ vCEV A ) rO=[ iC vCE ]

1=

V A+ V CEIC

V AIC

38 de 93

ExemploCalcule a resistncia de sada de um TBJ para o qual VA =100V quando IC = 0.1; 1 e 10mA.




39 de 93



O TRANSISTOR Potncia dissipada

V CCV BB

RB

RC

VCEV BE

+

+

40 de 93



O TRANSISTOR Anlise por reta de carga

V CCV BB

RB

RC

VCEV BE

+

+

41 de 93




IC=V CCRC

V CERC

I B=V BBV BE

RB

V CCV BB

RB

RC

VCEV BE

+

+

42 de 93




IC=V CCRC

V CERC

I B=V BBV BE

RB

Variao do ponto de operao a partir da variao da corrente de base

V CCV BB

RB

RC

VCEV BE

+

+

43 de 93




IC=V CCRC

V CERC

I B=V BBV BE

RB

RC

V CCV BB

RB

RC

VCEV BE

+

+

44 de 93




IC=V CCRC

V CERC

I B=V BBV BE

RB

V CC

V CCV BB

RB

RC

V CEV BE

+

+

45 de 93



O TRANSISTOR Operao em Corte / Saturao

IC=V CCRC

V CERC

I B=V BBV BE

RB

V CCV BB

RB

RC

VCEV BE

+

+

46 de 93




IC=V CCRC

V CERC

I B=V BBV BE

RBV CE

IC

V CCRC

V CCV CESAT

V CCV BB

RB

RC

VCEV BE

+

+

47 de 93

Regra prtica para operao em modo Corte / Saturao

Dados da carga a ser acionada: Resistncia a ser acionada (RC); Tenso de alimentao (Vnominal); Tenso de acionamento(VBB);

Dados do transistor a ser utilizado: Corrente nominal (IC); Tenso de saturao (VCEsat); Ganho de corrente em emissor comum ou hfe;




V CCV BB

RB

RC=carga

VCEV BE

+

+

48 de 93

Regra prtica para operao em modo Corte / Saturao




IC=VCCV CESAT

RC

V CC=V nominal+ V CESAT

I B=IC

Adicionar um fator de foramento (overdrive factor fOD)

I BOD=10IB

RB=V BBV BE

IBOD

49 de 93

Exemplo: Considere o uso de um transistor como chave para o acionamento de um motor de corrente contnua com as seguintes caractersticas: Vnominal = 12V; Inominal = 300mA; Rnominal = 12. O Transistor utilizado possui as seguintes caractersticas mdias: IC =1A; VCEsat = 0,2V; PMx = 4 W; hfe =1000. VBB = 0 5 V




VCCV BB

RB

RC=Rnominal

V CEV BE

+

+

M

50 de 93

Exemplo: Circuitos indutivos podem causar graves danos aos transistores devido variao abrupta da corrente no momento do desligamento. Para contornar esse problema utiliza-se um diodo chamado roda livre.




M

V CCV BB

51 de 93

Exerccio: Considere o uso de um transistor como chave para o acionamento de uma lmpada seguintes caractersticas: Vnominal = 24V; Rnominal = 12. O Transistor utilizado possui as seguintes caractersticas mdias: IC =5A; VCEsat = 0,2V; PMx = 4 W; hfe =1000. VBB = 0 5 V




V CC05V

RB

RC=12

V CESAT=0,2V

=10000,7V

+

+

52 de 93

Circuitos Bsicos



O TRANSISTOR Circuitos TBJ em Corrente Contnua

53 de 93

Arranjos Clssicos de Polarizao



O TRANSISTOR CIRCUITOS PARA POLARIZAO CC

I B=V BBV BE

RB

RC

RB

IC= IB

V CE=V CCRCIB

I E=V BBV BE

RB(+ 1)

IC=V BBV BE

RB

54 de 93





VTh=R2

R1+ R2VCC

RCR1

R2

VCC

RTh=R1R2R1+ R2

55 de 93





I B=V ThV BE

RTh

RC

RTh

VCC

VThI B=

R2R1+ R2

V CCV BER1R2R1+ R2

I B=R2V CCV BE(R1+ R2)

R1R2

56 de 93





RCR1

VCC

RER2

Thevenin

RC

RTh

VCC

RE

VTh

57 de 93





RC

RTh

VCC

RE

VThIE

IC

IB

58 de 93





RC

RTh

VCC

RE

VThIE

IC

IB

V ThRThIBV BEREI E=0

1

I E=(+ 1)IB

V ThRThIBV BERE(+ 1)IB=0

RThI BRE(+ 1)I B=V Th+ V BE

IB=V ThV BE

RTh+ RE(+ 1)

59 de 93





RC

RTh

VCC

RE

VThIE

IC

IB1

IB=V ThV BE

RTh+ RE(+ 1)1

IC=V ThV BE

RTh+ RE(+ 1)

IE=VThV BE

RTh+ RE(+ 1)(+ 1)

60 de 93





RC

RTh

VCC

RE

VThIE

IC

IB

IB=VThV BE

RTh+ RE(+ 1)IE=

V ThV BERTh(+ 1)+ RE

V Th=R2

R1+ R2V CC RTh=

R1R2R1+ R2

IC=V ThV BERTh(+ 1)+ RE

(+ 1)

VCE=VCC( V ThV BERTh+ RE(+ 1) )(RC+ RE(+ 1))

61 de 93





RC

RTh

VCC

RE

VThIE

IC

IB

Qual o impacto da variao de nos valores das correntes para este esquema de polarizao?

62 de 93





IB=VThV BE

RTh+ RE(+ 1)

IE=V ThV BERTh(+ 1)+ RE

IC=V ThV BERTh(+ 1)+ RE

(+ 1)

63 de 93





RC

RB

VCC

IE

IC

IB1

IE

64 de 93





RC

RB

VCC

IE

IC

IB1

VCCRCIERBIBV BE=0

IE=(+ 1)IB

VCCRC(+ 1)IBRBIBV BE=0

IB=VCCV BE

RC(+ 1)+ RB

IE=VCCV BE

RC+RB

(+ 1)

IE

65 de 93





RC

RB

VCC

IE

IC

IB1

IB=VCCV BE

RC(+ 1)+ RB

IE=VCCV BE

RC+RB

(+ 1)

IE

IC=VCCV BE

RC(+ 1)+ RB

66 de 93





RC

RB

VCC

IE

IC

IB

IE 2VCCRCIEVCE=0

VCE=V CCRCIB(+ 1)

Mas,

IB=VCCV BE

RC(+ 1)+ RB

VCE=V CCRC( VCCV BERC(+ 1)+ RB )(+ 1)

67 de 93





RC

RB

VCC

IE

IC

IB

IE 2 VCE=V CCRC( VCCV BERC(+ 1)+ RB )(+ 1)VCE=V CCRC(V CCV BERC+ RB(+ 1) )VCE=V CC( VCCV BE1+ RBRC(+ 1) )

68 de 93





VCE=V CC( VCCV BE1+ RBRC(+ 1) )

IB=VCCV BE

RC(+ 1)+ RB

IE=VCCV BE

RC+RB

(+ 1)

IC=VCCV BE

RC(+ 1)+ RB

69 de 93

Operao com superposio de uma fonte varivel vbe



O TRANSISTOR OPERAO EM PEQUENO SINAL E MODELOS

70 de 93





VCE=V CCICRC

IB=IC

IC=ISe

vBEV T

IE=IC

71 de 93





iC=I Se

vBEVT

vBE=V BE+ vbe

iC=I Se

(V BE+ vbe)

VT

72 de 93





iC=I Se

vBEVT

vBE=V BE+ vbe

iC=I Se

(V BE+ vbe)

VT

iC=I Se

(V BE+ vbe)

VT = ISe

V BEVT e

vbeVT

73 de 93





iC=I Se

vBEVT

vBE=V BE+ vbe

iC=I Se

(V BE+ vbe)

VT

iC=I Se

(V BE+ vbe)

VT = ISe

V BEVT e

vbeVT

iC=I Se

(V BE+ vbe)

VT = ICe

vbeVT

74 de 93





vBE=V BE+ vbeiC=I Se

(V BE+ vbe)

VT = ICe

vbeV T

75 de 93






(V BE+ vbe)

VT = ICe

vbeV T

Consideremos a seguinte situao:

vbeV T

76 de 93






(V BE+ vbe)

VT = ICe

vbeV T

iC IC+ICvbeVT

Consideremos a seguinte situao:

vbeV TAproximando por srie de Taylor

f (x)= n=0

f (n)(a)n! (xa)

n

77 de 93





vBE=V BE+ vbeiC IC+

ICvbeVT

Componente de polarizao!

Componente de sinal!

ic=ICV Tvbe

ic=gmvbe

78 de 93





vBE=V BE+ vbe

transcondutncia

ic=gmvbe

79 de 93





vBE=V BE+ vbe

transcondutncia

ic=gmvbe

gm=ICV T=

ic vbe

80 de 93



81 de 93





iC IC+ICvbeVT

De maneira similar

iB=iC =

IC +

1

ICVTvbe

iB=IB+ ib

ib=ic=

1

ICVTvbe

82 de 93





De maneira similar

ib=1

ICV Tvbe

ib=gm vbe

Podemos determinar a resistncia de entrada para pequenos sinais a partir da base/emissor

vbeib= gm

gm=r r=

VTIB

83 de 93





iC IC+ICvbeVT

De maneira similar

iE=iC=

IC +

ICV T

vbe

iE=IE+ ie

ie=IEV Tvbe

84 de 93





De maneira similar

ie=IEV Tvbe

Podemos determinar a resistncia de entrada para pequenos sinais a partir do emissor considerando a tenso na base

vbeie=

VTIE

vbeiere

re=gm

85 de 93





Relao entre e

vbe=ibr=iere

re r

ibr=iere r=ieibre r=(+ 1)re

86 de 93

O ganho de tenso




vC=VCCiCRC

Av

vC=VCC( IC+ ic)RC

vC=VCCICRCicRCvC=VCicRC

vc=icRC

87 de 93

O ganho de tenso




Av

vc=icRC

vc=gmvbeRC

vc=(gmRC)vbevc=Avvbe

Av=vcvbe=gmRC=

ICRCVT

88 de 93

Os Modelos -hbrido e o modelo T




89 de 93





90 de 93





91 de 93

Exemplo: Calcule o ganho Av para o amplificador mostrado na figura




=100

92 de 93

Exemplo: Calcule o ganho Av para o amplificador mostrado na figura




Passo 1: Determinar o ponto de operao cc.

IB=V BBV BE

RBB

IE=(+ 1)IB

VC=VCCRCIC

IC=IB

=100

93 de 93

Exemplo: O amplificador mostrado na figura possui um valor de beta muito alto. Calcule Vc, gm e o ganho Av




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