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Fundamentos de Electrónica Transístores de Junção Bipolar Bipolar Junction Transistor - BJT.

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Apresentação em tema: "Fundamentos de Electrónica Transístores de Junção Bipolar Bipolar Junction Transistor - BJT."— Transcrição da apresentação:

1 Fundamentos de Electrónica Transístores de Junção Bipolar Bipolar Junction Transistor - BJT

2 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Roteiro Equações aos terminais Modelo de pequenos sinais Montagens amplificadores de um único canal Princípios Físicos – junção npn e pnp Equação de Ebers-Moll de funcionamento na região de saturação Modelo de alta-frequência

3 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Transístor n-p-n Semelhante a dois díodos costas com costas, mas, Largura de base, W, é muito pequena! Três zonas tipicas de operação Zona de corte – Ambas as junções ao corte Zona de activa Zona de activa – Junção B-E ON Junção B-C OFF Zona de saturação – Ambas as junções ON npn Base EmissorColector Junção base-emissor Junção base-colector W

4 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Funcionamento na Zona Activa Na zona activa temos a junção BE polarizada inversamente e a junção BC polarizada inversamente Os electrões responsáveis pela condução de corrente na junção base emissor atravessam a pequena base e são recolhidos no colector! npn Emissor Colector Base Junção Polarizada directamente Junção Polarizada inversamente I A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector Ic Ie Ib

5 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Funcionamento na Zona Activa Porque é que os electrões não são bloqueados pela junção base colector? Porque como a base é muito fina a velocidade dos electroes é suficiente para que os electrões chegem ao lado n antes de colidirem com outras particulas (nucleos ou lacunas). Os que ficam pelo caminho vão formar parte da corrente na base. Assim temos que a corrente no colector será aproximadamente igual à corrente no emissor (Ic Ie) e que a corrente a base será muito pequena (Ib<>1 npn Emissor Colector Base Junção Polarizada directamente Junção Polarizada inversamente I A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector Ic Ie Ib

6 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Equações para as correntes (zona activa) np n Emissor Colector Base Ic Ie Ib Ie Ic Temos ainda:

7 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Símbolo O símbolo do transístor npn é baseado no seu modelo equivalente Ib Ie Ic emissor colector base B E C

8 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Modelos equivalentes (npn) B B B B C C C C E E E E

9 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Transístor pnp O emissor injecta lacunas na base que passam directamente para o colector. As equações são semelhantes às do transístor npn mas mudam os sentidos das correntes e troca-se Vbe por Veb. pnp Base EmissorColector W Ib Ie Ic emissor colector base

10 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Modelos equivalentes (pnp) B C E B C E B C E B C E

11 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Funcionamento na Zona Activa Ic Ib Ie npn pnp Ie IcIb JBE ON

12 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Zona de Saturação A junção Base-Colector começa a conduzir para Vbc=0.5V donde resulta que na entrada na zona de saturação podemos considerar Vce= V 0.7V 0.2V C B E Modelo para o transístor na zona de saturação Modelo simplificado 0.7V 0.2V C B E C B E

13 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Curvas Características dos Transístores Zona Activa Ib=60uA Ib=20uA Vce (V) Ic (A)

14 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE IcIc IeIe Zona Activa Inversa O transístor é um dispositivo aproximadamente simétrico, de tal forma que se trocarmos o emissor com o colector obtemos um novo dispositivo, que continua a funcionar como um transístor. No entanto o colector é em geral menos dopado que o emissor, donde resulta que o novo ( R ) é bastante mais pequeno. Trocar o emissor com o colector corresponde utilizar um valor de V CE negativo. JBC ON IbIb V CE V BE

15 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Curvas Características Zona activa inversa Zona activa Zona saturação

16 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Variação de beta com a corrente grandes variações de corrente provocam variações do beta

17 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE O Efeito da Temperatura Vbe varia cerca de –2mV/ºC para valores semelhantes de Ic Beta do transístor tipicamente aumenta com a temperatura

18 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Efeito de Early Mesmo na zona activa existe uma pequena dependência de Ic com Vce. Tal deve-se a uma diminuição da largura efectiva da região de base, devido ao alargamento da região de depleção da junção CE. Efeito de Early. VA Tensão de Early

19 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Modelo de pequenos sinais Modelo Modelo T B C E + - B C E Nota:

20 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Incorporando o efeito de Early Modelo aumentado B C E + - ro modela o efeito de Early. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente.

21 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Polarização Polarização: escolha do ponto de funcionamento em repouso com uma fonte de tensão. Como regra de polegar é usual distribuir a tensão igualmente por Rc, Vce e Re: Equivalente de Thévenin Para que I E seja insensível a variações de temperatura e de devemos ter

22 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Polarização A polarização com duas fontes de tensão permite reduzir o consumo, etc… Polarização com uma fonte de corrente permite aumentar a impedância vista da base, etc…

23 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Configurações de Amplificação de um Único Andar Montagem emissor comum Montagem colector comum ou seguidor de emissor Montagem base comum

24 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Montagem Emissor Comum Modelo de pequenos sinais Usa-se para ter Ganho de tensão

25 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Emissor Comum Degenerado Modelo de pequenos sinais Rs Vs Rc Vo re Re Ri Ro.ie + - v Ii Io

26 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Montagem Colector Comum ou Seguidor de Emissor Rs V1 Vo Rl re ro Modelo de pequenos sinais Ri Ro Io Nota: calcularam-se os ganho de corrente e tensão com carga Usa-se para ter Ganho de corrente

27 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Montagem Base Comum Rs Vi re Vo Rc Ri Ro i E

28 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE O Inversor BJT Q1 Rs Vi Rc Vcc Vo Não é utilizada em parte devido ás dificuldades em retirar o transistor da saturação Exemplo: Rb=10k, Rc=1k e =50 e Vcc=5V V IL V IH V OH V OL Zona Corte Zona Activa Zona Saturação 0.7V 0.2V Margens de Ruído:

29 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Perfil da Densidade de Portadores A densidade de electrões livres decresce na base. No colector os electrões livres são removidos pelo campo eléctrico. Como a base tem um comprimento bastante inferior ao comprimento de difusão este decréscimo é linear. A base (tipo-p) é bastante menos dopada que o emissor (tipo-n) logo a concentração de lacunas é bastante inferior à concentração de electrões livres. O Campo eléctrico remove os electrões livres W Largura efectiva de base Linear já que W << Ld Emissor (n) Base (p) Colector (n) Vbe Vcb I

30 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Corrente maioritária O emissor (tipo-n) é muito mais dopado que a base (tipo-p) donde resulta que a corrente é maioritariamente formada por electrões livres, que se deslocam directamente do emissor para o colector! A tensão Vbe aumenta com a concentração de electrões livres no emissor Emissor (n) Base (p) Colector (n) Vbe Vcb I

31 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Corrente maioritária O Transístor na zona activa comporta-se como um díodo polarizado directamente com uma corrente de saturação dada por Is, mas em que corrente flúi num terceiro terminal denominado de colector! Emissor (n) Base (p) Colector (n) Vbe Vcb I

32 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Corrente na base A corrente da base tem duas componentes: i B1 = Corrente minoritária devido às lacunas que se deslocam da base para o emissor. Equação equivalente à corrente de lacunas de uma junção p-n. i B2 = Corrente de reposição dos electrões que se recombinam com as lacunas ao atravessarem a base. Carga armazenada na base Tempo médio que um electrão demora até se recombinar com uma lacuna

33 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Ganho de corrente do Transístor Deve-se notar que: Beta aumenta com a diminuição da largura da base Beta aumenta com a concentração de impurezas no emissor e diminui com a concentração de impurezas na base. Beta é normalmente considerado aproximadamente constante para um dado transístor apesar de variar com vários factores Temos ainda a relação de Einstein: Combinando as equações anteriores

34 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Substrato Os transístores nos circuitos integrados modernos são em geral construídos através da adição de impurezas a uma bolacha de semicondutor. Bolacha de Silício Transístor Corte vertical Transístor planar Transístor vertical E BC E BC Substrato de Silício p n nn np Contactos metálicos

35 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Modelo de Ebers Moll Base Colector Emissor Ib Ie Ic Donde se deduz que: Modelo global de funcionamento do transístor

36 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Zona de Saturação Utilizando o modelo de Ebers Moll podemos chegar a seguinte fórmula para a região de saturação. forced V cesat (mV) V ceSat (mV) forced Exemplo: =50

37 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Concentração de Portadores Minoritários na Base de um Transístor Saturado Zona Activa inversa Zona Saturação Grande quantidade de carga Armasenda na base! Tempos elevados para a saida da região de saturação

38 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Modelo de Transporte Base Colector Emissor Ib Ie Ic Uma forma alternatica do modelo de Ebers-Moll

39 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Beta para pequenos sinais depende de Ic Valor redusido Beta corresponde a secante à curva, e h ef à tangente à curva!

40 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Efeitos capacitivos no BJT Capacidade de difusão ou de carga na base (zona activa) Capacidade da junção base emissor Capacidade da junção base colector Junção ao corte Junção em condução

41 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Modelo de Alta frequência rx r C C ro C E B 0 fftft h fe Circuito para determinação do beta Variação de h fe com a frequência Este modelo só é válido até cerca de 0.2 f t

42 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE Modelo do SPICE RCResistência ohmica do colector REResistência ohmica do emissor TRTempo de transito inverso ideal TFTempo de transito directo ideal VARTensão de Early inversa NRCoeficiente de emissão inverso BRGanho de corrente inverso máximo VAFTensão de Early directa NFCoeficiente de emissão directo BFGanho de Corrente directo máximo ISCorrente de Saturação VJSTensão intrinseca da junção CS MJSCoeficiente de gradiente da junção CS CJSCapacidade da junção CS (Pol nula) VJCTensão intrinseca da junção BC MJCCoeficiente de gradiente da junção BE CJCCapacidade da junção BC (Pol nula) VJETensão intrinseca da junção BE MJECoeficiente de gradiente da junção BE CJECapacidade da junção BE (Pol nula) RBResistencia ohmica da base (Pol nula)


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