Eletrônica Aula 04 - transistor CIN-UPPE

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1 Eletrônica Aula 04 - transistor CIN-UPPE

2 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 (Germânio) foi inventado em 1951, por Shockley.

3 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 A invenção do transistor permitiu uma revolução na integração de funções em um único componente, o circuito integrado.

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

5 Evolução da complexidade dos CIs

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

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

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

9 Correntes no transistor I E = I B + I C Modelo Real Modelo convencional I B I C I B I C I E I E

10 Transistor 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. I C e ligeiramente menor do que I E α = I C / I E α 0.95 O ganho de corrente de um transistor é definido como a corrente do coletor dividida pela corrente da base β = I C / I B

11 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.

12 Transistor - Configurações Emisor comum Coletor comum Base comum 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 3.5KΩ 580KΩ 30KΩ Resistência de saída 200KΩ 3.5KΩ 3.1MΩ Mudança de fase da tensão sim não não

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

14 Transistor Curvas do coletor Joelho da curva Região de saturação V BE =Vγ I B > 0 I C /I B < β Corrente I C constante (região ativa) V BE =Vγ I B > 0 I C /I B = β constante C B E Curva da base I B = (V IN - V BE )/R B Região de corte V BE < Vγ I B = 0 I C I E 0 0.7V Tensão de ruptura

15 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 Zona de saturação Polarização inversa Polarização direta Polarização inversa Polarização direta Interruptores, Portas Lógicas, Circuitos TTL, etc.

16 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. V BE =Vγ I B > 0 I C /I B < β V C =0,2V V C 9,8V carga I C = I B *βma V C =0,2V V B =0,6V V E =0V

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

18 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 =Vγ I B > 0 I C /I B = β constante V C > V B V BE >0,7V V C I C V E =0V

19 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 V CC =I C.R C +V CE Ponto Q(operação) Ponto de corte corrente Ic mínima do circuito

20 Transistor curvas características V CE V OUT =V CE =V CC -I C.R C V BE

21 Polarização de amplificadores emissor comum Transistores BJT

22 BJT Polarização de amplificadores emissor comum Encontrar um ponto adequado de operação com o mínimo de Instabilidade possível V out =V CC -I C.R C, onde I C /I B =β Parâmetros de instabilidade temperatura o ganho de corrente β pode variar bastante entre transistores 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 ) Observe que a tensão de saída depende diretamente de β (ganho do transistor). 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 β (ganho do transistor). O transistor pode ir da região ativa para a de saturação.

23 Transistor Ponto de operação (região ativa) Curva de carga (ma) V CE = V CC -I C.R C R B = 300KΩ 10 V 10 V 3,1 Cálculo do ponto de operação do circuito: Considere o circuito acima com V BE = 0,7V ; β = 100 I B = (10-0,7)V/300KΩ= 31µA I C = β. I B => I C = 3,1 ma 6,9 (V) V CE = 10-I C.R C => V CE = 10-3,1= 6,9 V

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

25 Laboratório No ponto de operação: I B = 10 µa I C = 1 ma V CE = 5 V I B = 10 µa + 5 µa I B = 10 µa - 5 µa 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 + Δ CE = cos(ωt) V CE + ΔV CE = cos(ωt) Se um sinal senoidal de amplitude 10µA é aplicado à base com o transistor neste ponto de operação: I B + ΔI B = 10 µa + 5 cos(ωt)

26 Polarização (fonte de tensão comum) Calcular Vout (V CE ) no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: 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 β. Observamos que V CE depende de β diretamente.

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

28 BJT Polarização de amplificadores emissor comum (realimentação no emissor) Calcular V OUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: Como então: I B =(V IN -V f -I E.R E )/R B V f =V BE considerando temos que: Como Substituindo I E em I B, temos que: I B =(V IN -V f )/(R B +(B f +1)R E ) Assim, no ponto Q, V out é dado por: Neste modelo de polarização observamos que o valor do parametro β não interfere significativamente se considerarmos certas relações entre R B e R E

29 BJT Polarização com divisor de tensão Calcular V OUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: Equivalente Thevenin V IN V OUT Encontrar V BB e R BB

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

31 Polarização com realimentação Em geral, devemos escolher um valor R BB << β 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 << β R E => Como Ic= βi B => = Assim, => Observe que V CE independe do ganho

32 Análise CC estabilidade do circuito Estabilidade do circuito: utilização do do resistor no emissor (R E ) V BB = R BB I B +V BE +I E R E constante constante V BE Se I E aumenta, então V E = R E I E também aumenta. Mas, desde que V BB e R B não mudam na malha BE, I B deveria diminuir, reduzindo assim o valor de I C para seu valor original de projeto e o circuito tende a estabilidade. Se I C diminui I B aumenta.

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; Considere portanto V E em torno 10V BE ou seja V E = 10*0.1 = 1.0V

34 Exemplo CC Projete um circuito estável com um ponto Q de I C = 5.0 ma e V CE = 7.5 V. Considere β = V Q (ponto de operação)

35 Análise Encontrar R C, R E, R 1, R 2 Considerações Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga: V CC = 2V CE = 2x7.5V = 15.0 V Encontrar R C e R E Encontrar equação de tensão da malha CE +15V 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 Ω = 1.2 KΩ A escolha é livre, mas devemos assegurar que V E =I E.R E > 1V Assim, R E > 1/I E. Como IE IC, R E > 200 Ω Se fizermos R E = 220 Ω, R C = 1.2K Ω = 220 Ω Exercício: Encontrar R 1 e R 2

36 Cálculo de R 1 e R2 R 1 = (V cc -V BB )/I 1, assim, R 1 = (15-1.8)/ => Considerando I 1 =I 2 10*I B = 0.5mA R 1 = 26.4 KΩ Como I B =I C /β => I B = 5/100=0.05mA Com V BB = V BE +I E R E V BB = *220 R 2 = (V BB )/I 1, assim, V BB = 1.8 V R 2 = (1.8)/ => R 2 = 3.6 KΩ