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.