Universidade Federal do Vale do São Francisco - UNIVASF Colegiado de Engenharia da Computação – CECOMP Transistor Bipolar de Junção TBJ Jadsonlee da Silva

Universidade Federal do Vale do São Francisco - UNIVASF Colegiado de Engenharia da Computação – CECOMP

Transistor Bipolar de Transistor Bipolar de Junção TBJJunção TBJ

Jadsonlee da Silva Sá

[email protected]/~jadsonlee.sa


Introdução - TBJIntrodução - TBJ Transistor TBJ Formado por duas junções PN.

Possui três regiões semicondutoras: emissor, base e coletor.

Existem dois tipos de TBJ: NPN e PNP.

Tipo NPN Tipo PNP


Introdução - TBJIntrodução - TBJ

Dependendo da polarização de cada junção (direta ou reversa) obtém-se diferentes modos de operação.

Modo JEB JCB Aplicação

Ativo Direta Reversa

Amplificador

Corte Reversa

Reversa

Chaveamento

Saturação Direta Direta Chaveamento

Ativo reverso

Reversa

Direta ---


Relações i-v para o TBJ – Modo AtivoRelações i-v para o TBJ – Modo Ativo


TBJ NPN – Modo AtivoTBJ NPN – Modo Ativo Em resumo.

A tensão de polarização direta vBE faz com que uma corrente iC (exponencial) flua pelo terminal do coletor.

No modo ativo, o TBJ se comporta como uma fonte de corrente ideal, onde iC é determinada por vBE.

iB é muito menor que iC, então, iE ≈ iC.


Características do TBJCaracterísticas do TBJ

Característica iC-vBE TBJ NPN.

As características iE-vBE e iB-vBE são idênticas, mas com fatores de escalas diferentes, IS/α (iE) e IS/β (iB).

BE

T

vV

C Si I e Idêntica a do diodo, exceto que temos n = 1.


Características do TBJCaracterísticas do TBJ A tensão na junção EB diminui cerca de 2 mV para cada 1 °C de aumento na temperatura, considerando que a corrente é constante.


Características Base ComumCaracterísticas Base Comum Forma de descrever a operação de um TBJ é traçar a curva iC-vCB para vários valores de corrente.

Podemos utilizar essa curva para verificar o modo saturação (JEB e JCB - direta).

Retas não são horizontais – iC depende

um pouco de vC.


Efeito EarlyEfeito Early Vimos que na região ativa, iC depende levemente de vC.

Outra forma de perceber tal comportamento.Configuração

emissor comum

Característica emissor comum.

Para vCE baixos, vC-vB < - 0,4,

JCB fica diretam. polariz.

vCE = -VA (entre 50 e 100V) – Tensão de Early.

Para vBE, se vCE cresce, IS aumenta e iC aumenta proporcionalmente – Efeito Early.


Dependência deDependência de β

Dependência de β com o nível de corrente de operação e com a temperatura.


TBJ - Amplificador e ChaveTBJ - Amplificador e Chave

Principais áreas de aplicação do TBJ:

Amplificador de sinais;

Chave em circuitos digitais.

Amplificador.

No modo ativo, o TBJ funciona como uma fonte de corrente controlada por tensão.

O aumento de vBE resulta no aumento de iC.

Como amplificar tensão?


TBJ - Amplificador e ChaveTBJ - Amplificador e Chave

Como obter amplificação linear, visto que a relação entre iC e vBE é não linear?

Polarizar o TBJ em uma tensão VBE e uma corrente IC.

Superpor o sinal a ser amplificado sobre VBE.

Se tal sinal for suficientemente pequeno, o TBJ operará em um segmento estreito e linear da curva iC-vBE.

A variação de iC resultará em uma variação linear do sinal a ser amplificado.


TBJ - AmplificadorTBJ - Amplificador

Amplificador - Emissor Comum.

I BE BE bev v V v O CE CE cev v V v

- Determinar VC.

- Converter corrente em tensão.- Polarizar o TBJ.

- Fornecer a potência do amplificador.




O CE CC C Cv v V R i

i

T

V

VO CC C Sv V R I e

0,1 a 0,2 V

CC CEsatC Csat

C

V Vi cte I

R

RCEsat é baixa – Chave fechada

TBJ em corte – Chave aberta.




O ganho de tensão do amplificador Av é dado por,

O amplificador é do tipo inversor – o sinal de saída está defasado em 180 graus com relação a entrada.

I BE

Ov

I v V

dvA

dv

VBE

VTO CC C Sv V R I e

1 VBEVT C C RC

v C ST T T

R I VA R I e

V V V

RC CC CEV V V




Como maximizar o ganho de tensão?

Aumentar o máximo possível a queda de tensão em RC Significa diminuir ao máximo VCE.

Problema O ponto Q ficaria próximo do fim da região ativa – transistor poderá entrar na região de saturação e o pico negativo do sinal poderá ser ceifado.

Ganho teórico máximo.

maxCC CEsat CC

vT T

V V VA

V V


Modos de Operação do TBJModos de Operação do TBJ Modo ativo Amplificador.

NPN vBE > 0,5 V ... vBE = 0,7 V; vBC ≤ 0,4 V; vCE ≥ 0,3 V.

PNP vEB > 0,5 V ... vEB = 0,7 V; vCB ≤ 0,4 V; vEC ≥ 0,3 V.

Modo Saturação Chave fechada.

NPN vBE = 0,7-0,8 V; vBC = 0,5-0,6 V; vCE = 0,1-0,2 V.

PNP vEB = 0,7-0,8 V; vCB = 0,5-0,6 V; vEC = 0,1-0,2

V.

= 1

BE

T

vV

C S C B C Ei I e i i i i

= Csat forcado B forcadoforcado

I I fator forcado


Modos de Operação do TBJModos de Operação do TBJ Modo corte Chave aberta.

NPN vBE < 0,5 V.

PNP vEB < 0,5 V.


TBJ como ChaveTBJ como Chave

Utilizado nos modos de operação corte (chave aberta) e saturação (chave fechada).

Considere o circuito abaixo, onde a entrada vI é variável.

Para vI < 0,5 V, vBE < 0,5 V Corte.

Então, iB = iC = iE = 0; vC = VCC.

Para o TBJ conduzir, vBE = 0,7 V.

Se vCB ≥ - 0,4 V ou vBC ≤ 0,4 V, o TBJ estará no modo ativo.

I BEB C B C CC C C

B

v Vi i i v V R i

R



O que é necessário para o TBJ entrar na região de saturação?

vCB ≤ - 0,4 V.

Observe que, se vI aumenta, vBE e iC também aumentam. Mas, se iC aumenta, vC diminui e vCB também diminuirá. Quando vCB = -0,4 V, o TBJ estará no limiar para saturação (LPS).

C CC C Cv V R i

( )

0,3CCC LPS

C

VI

R

( )

( )C LPS

B LPS

II

( ) ( )I LPS B LPS B BEV I R V



Se aumentarmos vI acima de vI(LPS), o TBJ avança na região de saturação e vCE diminui.

Vamos considerar sempre que vCEsat=0,2V na saturação.

Nesse estado, o TBJ opera como chave fechada.

Na saturação, podemos forçar o TBJ a operar em qualquer β desejado (βforçado) abaixo do valor normal.

CC CEsatCsat

C

V VI

R


Circuitos TBJ em CCCircuitos TBJ em CC

Apenas tensões CC serão aplicadas.

Modelos simplificados serão utilizados.

Em condução |VBE| = 0,7 V.

Na saturação |VCE| = 0,2 V.

Efeito Early é desprezado.

Como fazer a análise de circuitos com TBJs?

Temos que descobrir o modo de operação do TBJ.



Procedimento para analisar o circuito:

1. Suponha que o TBJ está no modo ativo.

2. Determine as tensões e correntes.

3. Verifique a consistência dos resultados baseado na suposição modo ativo.

TBJ NPN VCB > -0,4 V.

TBJ PNP VCB < 0,4 V.

4. Se os resultados forem consistentes. O procedimento é finalizado. Caso contrário, suponha que o TBJ está no modo saturação.



Procedimento para analisar o circuito:

5. Determine as tensões e correntes.

6. Verifique a consistência dos resultados baseado na suposição modo saturação.

Teste IC/IB = βforçado < βmin.

7. Caso o teste seja verdadeiro, os dados são consistentes.


Polarização de Circuitos Polarização de Circuitos AmplificadoresAmplificadores

Problemas a serem resolvidos.

Estabelecer IC - Insensível às variações de temperatura e a grandes variações dos β encontrados em TBJs do mesmo tipo.

Estabelecer o ponto de polarização no plano iC-vCE - Possibilitar a máxima excursão do sinal de saída.

Algumas abordagens para resolver estes problemas.



Relembrando...

Estabilizar IE equivale a estabilizar IC, pois IC = αIE e α varia pouco.

VBE diminui de 2mV/°C.

β varia com a temperatura e IC.

10 0,91

100 0,99



Arranjo para polarização mais utilizado.

Para IE (IC) ser insensível à temperatura e às variações de β, as seguintes condições devem ser satisfeitas.

0BB B B BE E EV R I V R I

1E

B

II

1

BB BEE

BE

V VI

RR

1

BBB BE E

RV V R



Garante que pequenas variações em VBE são desprezíveis se VBB for grande.

Problema: existe um limite superior para VBB.

Para VCC constante, se VBB cresce, VCB diminui (VCB > -0,4).

É desejável que a queda de tensão em RC seja grande para obtermos um ganho alto e uma grande excursão do sinal (antes de entrar em corte).

BB BEV V

1

BB BEE

BE

V VI

RR



Além disso, VCB (ou VCE) deve ser alto para proporcionar uma grande excursão do sinal (antes de entrar na saturação).

Regra prática.

BB BEV V

1

BB BEE

BE

V VI

RR

( )3CC

BB CB CE C C

VV V ou V R I



Torna IE insensível às variações de β.

Pode ser satisfeito se RB for pequeno, ou seja, para R1 e R2 pequenos.

Isso implica em uma maior corrente drenada da fonte e na redução da resistência de entrada do amplificador.

Regra prática: escolher R1 e R2 de forma que a soma de suas correntes esteja na faixa de IE a 0,1IE.

1B

E

RR

1

BB BEE

BE

V VI

RR



Arranjo com duas fontes de tensão.

1

EE BEE

BE

V VI

RR

Idêntica a equação do circuito anterior, exceto que VEE substitui VBB. As duas condições anteriores também se aplicam.



Polarização utilizando um resistor de realimentação de coletor para base – Emissor comum.

1

CC C E B B BE

ECC C E B BE

V R I R I V

IV R I R V

1

CC BEE

BC

V VI

RR

1B

CB B B E

RV R I I

Neste circuito, VCC substitui VBB e RC substitui RE. As duas condições anteriores também se aplicam.

1B

C

RR

RB determina a máxima excursão do sinal no coletor.



Polarização usando uma fonte de corrente constante.

( )CC EE BEREF

V V VI

R

CC EE BE

REF

V V VI I

R

Vantagem: IE não depende de β e de RB. Então, a resistência de entrada da base pode ser alta e não afetará a polarização. Se os β de Q1 e Q2 forem altos, IB1 e IB2 podem ser desprezados.

Espelho de

corrente.

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