Eletrônica Aula 04 - 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 ............... O primeiro transistor de junção foi inventado em 1951, por Shockley.

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.

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

Evolução da complexidade dos CIs

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

Transistor de Junção (BJT) - NPN C B E

Transistor de Junção (BJT) - PNP C B E

Correntes no transistor IE = IB + IC Modelo Real IC IE IB Modelo convencional IC IE IB

Transistor α = IC / IE α  0.95 IC e ligeiramente menor do que IE 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. 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  = IC / IB

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.

Transistor - Configurações Emisor comum Coletor comum Base comum Características EC CC BC Ganho de potência sim Ganho de tensão não Ganho de corrente Resistência de entrada 3.5K 580K 30K Resistência de saída 200K 3.1M Mudança de fase da tensão

Transistor – Emissor comum - características IB = (VIN - VBE )/RB 0.7V Curva da base out IE = IB + IC VCE = VC – VE VCB = VC – VB

Transistor – Curvas do coletor Corrente IC constante (região ativa) VBE =V IB > 0 IC/IB =   constante Joelho da curva Região de saturação VBE =V IB > 0 IC/IB <  Tensão de ruptura Região de corte VBE < V IB = 0 IC IE  0

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 Interruptores, Portas Lógicas, Circuitos TTL, etc. Zona de saturação

Transistor – 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. VBE =V IB > 0 IC/IB <  VB=0,6V VC=0,2V VE=0V carga

Transistor – Região de corte Nesta região a corrente de base é nula. Existe apenas nesta configuração uma pequena corrente de fuga do coletor. VBE < V IB = 0 IC IE  0 VBE<0,7V VC=10V VE=0V IC0mA

Transistor – 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. VBE =V IB > 0 IC/IB =   constante VBE>0,7V VC VE=0V IC VC> VB

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 VCC=IC.RC+VCE Ponto Q Ponto de corte – corrente Ic mínima do circuito

Polarização de amplificadores emissor comum Transistores BJT

BJT – Polarização de amplificadores emissor comum 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 Vout=VCC-IC.RC, onde IC/IB=β Vout=VCC-β. IB.RC, com IB=(VIN-Vf)/RB => Observe que a tensão de saída depende diretamente de  (ganho do transistor). Vout=VCC-β.(RC /RB)(VIN-Vf) http://www.eng.fsu.edu/~ejaz/EEL3300L/lab8.pdf

BJT – Polarização de amplificadores emissor comum Tensão de saída em função da tensão de entrada. Vout muda linearmente com a mudança de Vin, desde que os outros parâmetros são constantes.  Neste tipo de configuração a necessidade de mudança de transistores, por exemplo, o 2N3904, que pode ter ganho entre 130-200, 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. http://www.eng.fsu.edu/~ejaz/EEL3300L/lab8.pdf

Transistor – Ponto de operação (região ativa) (mA) RB = 300K 10 V 10 V 6,9 3,1 (V) Considere o circuito acima com VBE = 0,7V ;  = 100 IB = (10-0,7)V/300K= 31A IC = . IB => IC = 3,1 mA VCE = 10-IC.RC => VCE = 10-3,1= 6,9 V

Transistor - região ativa (Cálculo do ponto de Operação) Laboratório (Cálculo de IB) (Cálculo de VCE) Operação em Região ativa (Cálculo de IE)

Laboratório No ponto de operação: IB = 10 A IC = 1 mA VCE = 5 V 7.5 2.5 1.0 0.5 1.5 IB = 10 A + 5 A IB = 10 A - 5 A Se IB varia, VBE também varia e conseqüentemente IC e VCE. Assim, com valor central no ponto de operação: IC + CE = 1.0 + 1.5 cos(t) VCE + VCE = 5.0 – 2.5 cos(t) Se um sinal senoidal de amplitude 10A é aplicado à base com o transistor neste ponto de operação: IB + IB = 10 A + 5 cos(t)

Polarização – (fonte de tensão comum) Calcular Vout (VCE) no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: Out In O ponto de operação do circuito (ponto Q) pode ser calculado a partir do cálculo de RB, RC, VCC e ganho . Observamos que VCE depende de  diretamente. ?

Exemplo - Laboratório Calcular no circuito abaixo os valores de RC, RB, considerando  = 100, VCC = 15 V, de forma que no ponto de polarização (Q), IC = 25 mA e VCE = 7.5 V. Considerando os resultados obtidos acima, qual será o novo ponto Q quando  = 200.

BJT – Polarização de amplificadores emissor comum (realimentação no emissor) Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: considerando temos que: Vf=VBE IB=(VIN-Vf-IE.RE)/RB Assim, no ponto Q, Vout é dado por: Neste modelo de polarização observamos que o valor do parametro β não interfere significativamente se considerarmos certas relações entre RB e RE

BJT – Polarização com divisor de tensão Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: Equivalente Thevenin Encontrar VBB e RBB VIN VOUT

Resistência equivalente Tensão na base Resistência equivalente IB VBB VBE Considerando: IE IC  IB IB deve ser pequena para não afetar a polarização

Polarização com realimentação Em geral, devemos escolher um valor RB <<  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:  =>  => Observe que VCE independe do ganho

Polarização com realimentação Cálculo do valor para VE: Observe que VBE pode variar (0.6 a 0.8 V) para o silício, principalmente com o aumento da temperatura. 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 or VE > 10*0.1 = 1V

Polarização I1 = IC+IB , como IC>>IB I1  IC Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: I1 = IC+IB , como IC>>IB I1  IC VOUT =VCE VIN VBE Se ou temos: BE Desde que IC é independente de  o ponto de operação é estável. Cálculo de VCE (verificação do ponto de operação) BE

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