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Eletrônica Aula 04 - transistor CIN-UPPE Transistor O transistor é um dispositivo semicondutor que tem como função principal amplificar um sinal elétrico,

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2 Eletrônica Aula 04 - transistor CIN-UPPE

3 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 – O primeiro transistor de junção foi inventado em 1951, por Shockley.

4 Transistor O transistor substituiu as válvulas, anteriormente utilizadas como dispositivos amplificadores de sinais, mas que apresentavam desvantagens, tais como: –Alto aquecimento –Pequena vida útil (alguns milhares de horas) –Ocupa mais espaço que os transistores A invenção do transistor permitiu uma revolução na integração de funções em um único componente, o circuito integrado.

5 Transistores Válvula Primeiro transistor de germânio John Bardeen and Walter Brattain at Bell Laboratories.(1947) PDP-8 Primeiro Microcomputador Em transistor(1965) Primeiro transistor comercial em silício(1954) 4004 Primeiro Microcomputador Em CI (1971)

6 Evolução da complexidade dos CIs

7 Transistor Tipos –BJT – Transistor de juncao bipolar Bipolar (elétrons e buracos) –MOS – Metal Óxido Silício Unipolar (elétrons)

8 Transistor de Junção (BJT) - NPN E C B

9 Transistor de Junção (BJT) - PNP E C B

10 Correntes no transistor I E = I B + I C Modelo convencional ICIC IEIE IBIB Modelo Real ICIC IEIE IBIB

11 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 emitidos pelo coletor e constituem-nos quase toda a corrente de coletor. Transistor α 0.95 α = I C / I E I C e 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 = I C / I B

12 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.

13 CaracterísticasECCCBC Ganho de potênciasim Ganho de tensãosimnãosim Ganho de correntesim Resistência de entrada 3.5K 580K 30K Resistência de saída 200K 3.5K 3.1M Mudança de fase da tensãosimnão Transistor - Configurações Emisor comum Coletor comumBase comum

14 Transistor – Emissor comum - características I E = I B + I C V CE = V C – V E V CB = V C – V B I B = (V IN - V BE )/R B 0.7V Curva da base out

15 Transistor – Curvas do coletor Tensão de ruptura Joelho da curva Região de saturação V BE =V I B > 0 I C /I B < Região de corte V BE < V I B = 0 I C I E 0 Corrente I C constante (região ativa) V BE =V I B > 0 I C /I B = constante

16 Transistor – regiões de operação Modo de operação Junção EB (emissor-base) Junção BC (emissor-coletor) Aplicações Zona ativaPolarização direta Polarização inversa Amplificadores Zona de cortePolarização inversa Interruptores, Portas Lógicas, Circuitos TTL, etc. Zona de saturação Polarização direta

17 Transistor – Região de saturação Região de saturação –Está região representa a região no qual a corrente do coletor cresce bastante com o aumento 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 V BE =V I B > 0 I C /I B < V B =0,6V V C =0,2V V E =0V

18 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 < V I B = 0 I C I E 0 V BE <0,7V V C =10V V E =0V I C 0mA

19 Transistor – Região ativa Região ativa –Está região representa a operação normal do transistor. Nesta região o diodo emissor está polarizado diretamente e o diodo coletor inversamente polarizado. –Nesta região, o coletor captura praticamente todos o elétrons que o emissor está jogando na base. V BE =V I B > 0 I C /I B = constante V BE >0,7V VCVC V E =0V ICIC V C > V B

20 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 V CC =I C.R C +V CE

21 Polarização de amplificadores emissor comum Transistores BJT

22 BJT – Polarização de amplificadores emissor comum V out =V CC -I C.R C, onde I C /I B =β V out =V CC -β. I B.R C, com I B =(V IN -V f )/R B => V out =V CC -β.(R C /R B )(V IN -V f ) 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 (ganho do transistor).

23 BJT – Polarização de amplificadores emissor comum Neste tipo de configuração a necessidade de mudança de transistores, por exemplo, o 2N3904, que pode ter ganho entre , pode acarretar mudanças significativas na amplificação do sinal. Observe que a tensão de saída depende diretamente de (ganho do transistor). O transistor pode ir da região ativa para a de saturação. Tensão de saída em função da tensão de entrada. Vout muda linearmente com a mudança de Vin, desde que os outros parâmetros são constantes.

24 Transistor – Ponto de operação (região ativa) 10 V Considere o circuito acima com V BE = 0,7V ; = 100 I B = (10-0,7)V/300K = 31 A I C =. I B => I C = 3,1 mA V CE = 10-I C.R C => V CE = 10-3,1= 6,9 V R B = 300K 6,9 3,1 (mA) (V)

25 (Cálculo de I B ) (Cálculo de V CE ) Transistor - região ativa (Cálculo do ponto de Operação) Operação em Região ativa (Cálculo de I E ) Laboratório

26 Se um sinal senoidal de amplitude 10 A é aplicado à base com o transistor neste ponto de operação: I B + I B = 10 A + 5 cos( t) 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 + CE = cos( t) V CE + V CE = 5.0 – 2.5 cos( t) No ponto de operação: I B = 10 A I C = 1 mA V CE = 5 V I B = 10 A + 5 A I B = 10 A - 5 A Laboratório

27 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. Observamos que V CE depende de diretamente. Calcular Vout (V CE ) no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: ?

28 Exemplo - Laboratório Calcular no circuito abaixo os valores de R C, R B, considerando = 100, V CC = 15 V, de forma que no ponto de polarização (Q), I C = 25 mA e V CE = 7.5 V. Considerando os resultados obtidos acima, qual será o novo ponto Q quando = 200.

29 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

30 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

31 V BB V BE Resistência equivalente Considerando: I E I C I B I B deve ser pequena para não afetar a polarização Tensão na base IBIB

32 Polarização com realimentação Em geral, devemos escolher um valor R 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: => Observe que V CE independe do ganho =>

33 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 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 or V E > 10*0.1 = 1V

34 Polarização Se ou temos: BE I 1 = I C +I B, como I C >>I B I 1 I C Desde que I C é independente de o ponto de operação é estável. Cálculo de V CE (verificação do ponto de operação) BE Calcular V OUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: V IN V OUT =V CE V BE

35 Laboratório Projetar um circuito estável, com realimentação, com um ponto Q de I C = 2.5mA e V CE = 7.5V. Considere entre 50 e 200. Considere que o ponto Q se localiza no meio da curva da região ativa e que V CC = 2*V CE Para: –na configuração realimentação simples via emissor; –na configuração realimentação divisor de tensão na base; –na configuração realimentação coletor-base


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