Fundamentos de Electrónica

Apresentação em tema: "Fundamentos de Electrónica"— Transcrição da apresentação:

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

2 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 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

3 Transístor n-p-n Zona de activa – Junção B-E ON Junção B-C OFF n p
W n p Emissor Colector Base Junção base-colector Junção base-emissor 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 – Junção B-E ON Junção B-C OFF Zona de saturação – Ambas as junções ON Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

4 Funcionamento na Zona Activa
A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector n p Colector Emissor Ie Ic Base I Junção Polarizada directamente Junção Polarizada inversamente Ib 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! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

5 Funcionamento na Zona Activa
p Emissor Colector Base Junção Polarizada directamente Junção Polarizada inversamente I A Junção BE emite electrões que se deslocam para o colector Ic Ie Ib 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<<Ic) De facto temos que Ic é proporcional a Ib, Ic =  Ib, com >>1 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

6 Equações para as correntes (zona activa)
Colector Ic Base n p Temos ainda: Ib Ib Ie Ic Ie Emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

7 Símbolo O símbolo do transístor npn é baseado no seu modelo equivalente colector C Ic base B Ib Ie E emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

8 Modelos equivalentes (npn)
C C B B E E C C B B E E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

9 Transístor pnp p n Base Emissor Colector W emissor 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. Ie base Ib Ic colector Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

10 Modelos equivalentes (pnp)
B C E B C E B C E B C E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

11 Funcionamento na Zona Activa
npn pnp Ic Ib Ie Ie Ic Ib JBE ON JBE ON Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

12 Modelo para o transístor na 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=0.2 Modelo para o transístor na zona de saturação C Modelo simplificado C 0.5V B C 0.7V 0.2V 0.2V B B 0.7V E E E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

13 Curvas Características dos Transístores
Zona Activa Ib=60uA Ic (A) Ib=20uA Vce (V) Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

14 Zona Activa Inversa 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 VCE negativo. JBC ON Ie Ib VCE VBE Ic Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

15 Curvas Características
Zona activa Zona saturação Zona activa inversa Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

16 Variação de beta com a corrente
grandes variações de corrente provocam variações do beta Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

17 O Efeito da Temperatura
Vbe varia cerca de –2mV/ºC para valores semelhantes de Ic Beta do transístor tipicamente aumenta com a temperatura Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

18 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 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

19 Modelo de pequenos sinais
Modelo T B C E C + - B E Nota: Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

20 Incorporando o efeito de Early
Modelo  aumentado C ro modela o efeito de Early. Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente. B + - E Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

21 Equivalente de Thévenin
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: Para que IE seja insensível a variações de temperatura e de  devemos ter Equivalente de Thévenin Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

22 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… Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

23 Configurações de Amplificação de um Único Andar
Montagem colector comum ou seguidor de emissor Montagem emissor comum Montagem base comum Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

24 Montagem Emissor Comum
Modelo de pequenos sinais Rs Vi Rpi ro Rc gm vpi - vpi + io ib Ri Ro Usa-se para ter Ganho de tensão Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

25 Emissor Comum Degenerado
Modelo de pequenos sinais Vo .ie Io Rc Ii Ro + Rs v re Vs Ri - Re Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

26 Montagem Colector Comum ou Seguidor de Emissor
Modelo de pequenos sinais Nota: calcularam-se os ganho de corrente e tensão com carga Rs Ri V1 re Vo Ro Io ro Rl Usa-se para ter Ganho de corrente Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

27 Montagem Base Comum  iE
Vo  iE Rc Ro re Rs Vi Ri Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

28 O Inversor BJT Exemplo: Rb=10k , Rc=1k e =50 e Vcc=5V
VIL VIH VOH VOL Zona Corte Activa Saturação 0.7V 0.2V Q1 Rs Vi Rc Vcc Vo Exemplo: Rb=10k , Rc=1k e =50 e Vcc=5V Não é utilizada em parte devido ás dificuldades em retirar o transistor da saturação Margens de Ruído: Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

29 Perfil da Densidade de Portadores
Emissor (n) Vbe Vcb Colector (n) O Campo eléctrico remove os electrões livres Base (p) Linear já que W << Ld I W Largura efectiva de base 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. Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

30 A tensão Vbe aumenta com a concentração de electrões livres no emissor
Corrente maioritária A tensão Vbe aumenta com a concentração de electrões livres no emissor Emissor (n) Vbe Vcb Colector (n) Base (p) I 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! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

31 Corrente maioritária Emissor (n) Vbe Vcb Colector (n) Base (p) I 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! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

32 Corrente na base A corrente da base tem duas componentes:
iB1 = Corrente minoritária devido às lacunas que se deslocam da base para o emissor. Equação equivalente à corrente de lacunas de uma junção p-n. iB2 = Corrente de reposição dos electrões que se recombinam com as lacunas ao atravessarem a base. Tempo médio que um electrão demora até se recombinar com uma lacuna Carga armazenada na base Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

33 Ganho de corrente do Transístor
Combinando as equações anteriores Temos ainda a relação de Einstein: 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 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

34 Substrato Os transístores nos circuitos integrados modernos são em geral construídos através da adição de impurezas a uma bolacha de semicondutor. Transístor planar Transístor vertical Corte vertical Contactos metálicos E B C Transístor E B C p n n n n p Bolacha de Silício Substrato de Silício Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

35 Modelo global de funcionamento do transístor
Modelo de Ebers Moll Colector Ic Donde se deduz que: Base Ib Modelo global de funcionamento do transístor Ie Emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

36 Zona de Saturação forced Vcesat(mV)
Utilizando o modelo de Ebers Moll podemos chegar a seguinte fórmula para a região de saturação. 10 20 30 40 50 100 150 200 250 VceSat (mV) forced Exemplo: =50 forced 50 48 45 40 30 20 10 1 Vcesat(mV)  235 211 191 166 147 123 76 60 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

37 Concentração de Portadores Minoritários na Base de um Transístor Saturado
Zona Saturação Zona Activa Zona Activa inversa Tempos elevados para a saida da região de saturação Grande quantidade de carga Armasenda na base! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

38 Uma forma alternatica do modelo de Ebers-Moll
Modelo de Transporte Colector Ic Base Ib Uma forma alternatica do modelo de Ebers-Moll Ie Emissor Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

39 Beta para pequenos sinais
 depende de Ic Valor redusido Beta corresponde a secante à curva, e hef à tangente à curva! Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

40 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 Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

41 Modelo de Alta frequência
rx r C C ro C E B Este modelo só é válido até cerca de 0.2 ft Variação de hfe com a frequência Circuito para determinação do beta 0 f ft hfe Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003

42 Modelo do SPICE RC Resistência ohmica do colector RE Resistência ohmica do emissor TR Tempo de transito inverso ideal TF Tempo de transito directo ideal VAR Tensão de Early inversa NR Coeficiente de emissão inverso BR Ganho de corrente inverso máximo VAF Tensão de Early directa NF Coeficiente de emissão directo BF Ganho de Corrente directo máximo IS Corrente de Saturação VJS Tensão intrinseca da junção CS MJS Coeficiente de gradiente da junção CS CJS Capacidade da junção CS (Pol nula) VJC Tensão intrinseca da junção BC MJC Coeficiente de gradiente da junção BE CJC Capacidade da junção BC (Pol nula) VJE Tensão intrinseca da junção BE MJE CJE Capacidade da junção BE (Pol nula) RB Resistencia ohmica da base (Pol nula) rx r C C ro C E B CCS S iC Transístor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003