Eletrônica 1. Aula 04 (Introdução ao transistor) CIN-UPPE

Eletrônica 1

Aula 04

(Introdução ao 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 – ...

Transistor

■

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

– Fragilidade

■

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, 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

■

Tipos

– BJT – Transistor de junção (bipolar) • Bipolar (elétrons e lacunas)

– MOS – Metal Óxido Silício • Unipolar (elétrons)

Transistor de Junção (BJT) - NPN

E C

Transistor de Junção (BJT) - PNP

E C

Correntes no transistor

■ I_E = I_B + I_C Modelo convencional I_C I_E I_B Modelo Real I_C I_E I_B

■ 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 coletados pelo coletor e constituem-nos quase toda a corrente de coletor.

Transistor

α @ 0,95 α = I_C / I_E

I

_C

é ligeiramente menor do que I

_E

O ganho de corrente de um transistor é definido como a corrente

do coletor dividida pela corrente da base

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.

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 KW 100KW - 1MW 10 -100 W Resistência de saída 200KW 50W - 5KW 100KW - 1MW Mudança de fase da tensão sim não não

Transistor - Configurações

Transistor – Emissor comum -

características

■

I

_E

= I

_B

+ I

_C ■

V

_CE

= V

_C

– V

_E

= V

out ■

V

_CB

= V

_C

– V

_B

I

_B

= (V

_IN

- V

_BE

)/R

_B 0,7V

Curva da base

Out (VCE)

V

_BE V_CE V_CB

Transistor – Curvas do coletor

Tensão (região) de ruptura, deve ser evitada, pois

danificará o transistor

Joelho da curva

Região de saturação

V_BE ≥ Vg I_B > 0 I_C/I_B < b

Região de corte

V_BE < Vg I_B = 0 I_C I_E  0

Corrente I

_C

constante

(região ativa)

V_BE =Vg I_B > 0 I_C/I_B = b  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

Transistor – Região de saturação

■ Região de saturação

– Esta região representa a região no qual a corrente do coletor cresce bastante com a redução da tensão entre o coletor e emissor (V_CE < 1 V)

– Nesta região o diodo coletor base está (levemente) 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 V_BE ≥ Vg I_B > 0 I_C/I_B < b V_B=0,6V V_C=0,2V V_E=0V V_C=0,2V V_C≅9,8V I_C < I_B*β

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. V_BE < Vg I_B = 0 I_C I_E  0 V_BE<0,6V V_C=10V V_E=0V I_C0mA

Transistor – Região ativa

■

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.

V_BE ≥ Vg I_B > 0 I_C/I_B = b  constante V_BE ≥ 0,7V V_C V_E=0V I_C V_C> V_B

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(operação)

V_OUT= V_CE = V_CC-I_C.R_C V_BE V_CE i_c Entrada Saída

Transistor –

curvas características

Polarização de amplificadores

emissor comum

BJT – Polarização de amplificadores

emissor comum

V_out=V_CE=V_CC-I_C.R_C, onde I_C/I_B=β

V_CE=V_CC-β. I_B.R_C, com I_B=(V_IN-V_BE)/R_B => V_CE=V_CC-β.(R_C /R_B)(V_IN-V_BE)

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 b (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.

▪

O transistor pode ir da região ativa para a de saturação.

Transistor – Ponto de operação

(região ativa)

10 V 10 V

Cálculo do ponto de operação do circuito:

Considere o circuito acima com V_BE = 0,7V ; b = 100 I_B = (10-0,7)V/300KW= 31mA I_C = b. I_B => I_C = 3,1 mA V_CE = 10-I_C.R_C => V_CE = 10-3,1= 6,9 V R_B = 300KW 6,9 3,1 (mA) (V) Curva de carga V_CE = V_CC-I_C.R_C V_CE

(Cálculo de I_B)

(Cálculo de V_CE)

Transistor - região ativa

(Cálculo do ponto de Operação)

Operação em Região ativa (Cálculo de I_E)

Se I_B varia, V_BE também varia e conseqüentemente I_C e V_CE. Assim, com valor central no ponto de operação: I_C + D_CE = 1,0 + 0,5 cos(wt) V_CE + DV_CE = 5,0 – 2,5 cos(wt) 5 7.5 2.5 1.0 0.5 1.5 Se um sinal senoidal de amplitude 5mA é aplicado à base com o transistor neste ponto de operação: I_B + DI_B = 10 mA + 5 cos(wt) No ponto de operação: I_B = 10 mA I_C = 1 mA V_CE = 5 V I_B = 10 mA + 5 mA I_B = 10 mA - 5 mA

Laboratório

Polarização – (fonte de tensão comum)

In Out

O ponto de operação do circuito (ponto Q) pode ser calculado a partir do

cálculo de R

_B

, R

_C

, V

_CC

e ganho

b. Observamos que V

_CE

depende de

b

diretamente.

• Então se b variar (mudança do transistor e/ou temperatura), I

_C

muda e

portanto o ponto Q também. Próximas duas polarizações tratam disso.

Calcular Vout (V

_CE

) no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:

Polarização (realimentação no coletor)

Se ou temos:

BE

I₁ = I_C+I_B , como I_C>>I_B I₁ @ I_C

Desde que I

_C

é (quase) independente de b

o ponto de operação é estável.

Cálculo de V_CE (verificação do ponto de operação)

BE BE

Calcular V

_OUT

no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:

V_IN VOUT =VCE

BJT – Polarização de amplificadores

emissor comum

(realimentação no emissor)

Assim, no ponto Q, V_out é dado por:

Calcular V

_OUT

no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:

I_B=(V_IN-V_f-I_E.R_E)/R_B

Neste modelo de polarização observamos que o valor do parametro β não

interfere significativamente se considerarmos certas relações entre R

_B

e R

_E

considerando

temos que:

V_f=V_BE

Como

Substituindo I_E em I_B, temos que:

I_B=(V_IN-V_f)/(R_B+(B_f+1)R_E)

Como então:

BJT – Polarização com divisor de tensão

Equivalente Thevenin

Encontrar V_BB e R_BB

Calcular V

_OUT

no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:

V_OUT V_IN

V_{BB V}

BE

Resistência equivalente

Considerando: I_E I_C  bI_B

I_B deve ser pequena para não afetar a polarização Tensão na base

I_B Considerando que I₁=I₂

Polarização com realimentação

■ Em geral, devemos escolher um valor R_BB << b R_E para termos uma condição de realimentação efetiva, ou seja, fazer com que a corrente do coletor, e

conseqüentemente V_CE, independam (muito) do ganho do transistor, assim:

considerando R_BB << b R_E =>



=>

Observe que V

_CE

independe do ganho

Assim,

Análise CC – estabilidade do circuito

■

Estabilidade do circuito: utilização do resistor no emissor (R

_E

)

V_BB = R_BBI_B+V_BE+I_ER_E

constante

constante

Se I_E aumenta, então V_E = R_EI_E também aumenta. Mas, desde

que V_BB e R_BB não mudam na malha BE, I_B deveria diminuir, reduzindo assim o valor de I_Cpara seu valor original de projeto e o circuito tende a estabilidade.

Se I_Cdiminui I_Baumenta.

Polarização com realimentação

■ Cálculo do valor para V_E:

■ Observe que V_BE pode variar (0,6 a 0,8 V) para o silício, principalmente com o aumento da temperatura.

■ Assim, para que esta oscilação em V_BE 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 V_BE oscila em torno e 0,1 V, V_E = I_E.R_E >> 0,1 V;

Exemplo CC

■

Projete um circuito estável com um ponto Q de I

_C

= 5,0 mA e V

_CE

= 7,5 V. Considere

b =100.

Q (ponto de operação)

■ Análise

■ Encontrar R_C, R_E, R₁, R₂

■ Considerações

– Em geral o ponto Q é localizado no meio da reta de carga: • V_CC= 2V_CE= 2x7,5V = 15,0 V

■ Encontrar R_C e R_E

–Encontrar equação de tensão da malha CE

•V_CE = V_CC-I_C(R_C+R_E ) => R_C+R_E = 7,5/(5,0x10-3₎

R_C+R_E = 1,5K W

• A escolha é livre, mas devemos assegurar que V_E=I_E.R_E ≥1V

Assim, R_E ≥ 1/I_E . Como I_E  I_C, R_E = 200 W

= 200 W = 1,3 KW

+15V

Cálculo de R

₁

e

_R2

Como I_B=I_C/β => I_B= 5/100=0,05mA Considerando I₁ =I₂ ≅ 10*I_B= 0,5mA Com V_{BB =}V_BE+I_ER_E V_BB =0,7+ 0,005*200 V_BB = 1,7 V R₁ = (V_cc-V_BB)/I₁, assim, R₁ = (15-1,7)/0,0005 => R₁ = 26,6 KΩ R₂ = (V_BB)/I₁, assim, R₂ = (1,7)/0,0005 => R₂ = 3,4 KΩ

=200 W = 1,3 KW +15V 26,6 KW 3,4 KW

Circuito polarizado

V_CE = 7,5V V_E = 1,0V V_B = 1,7V = 5 mA

Inserção de sinal CA:

-Inserir sinal CA e 200mV (p-p), a 10KHz, que vai alimentar uma carga R_L = R_C.

-Calcular todos os capacitores envolvidos; ganho de tensão. -Simular o circuito e analisar resultados.