O transistor de junção bipolar (BJT) NPN Base. PNP Base. Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE)

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1 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O tanssto de junção bpola (J) pola dos tpos de cagas, electões e buacos, enoldos nos fluxos de coente Junção duas junções pn. Junção base/emsso e junção base/colecto pos tpos NPN e PNP. msso msso n p n ase p n p olecto olecto emnas ase, msso e olecto Símbolos - ase NPN ase olecto PNP ase msso msso olecto lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

2 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Fluxos de coente num tanssto npn opeando na ZAD A junção msso/ase é dectamente polazada A junção ase/olecto é nesamente polazada A espessua da egão da base é tpcamente 150 ezes nfeo à espessua do dsposto. A polazação decta da junção base/emsso causa um fluxo de potadoes maotáos (electões) da egão n paa a egão p. n njecção de electões njecção de buacos p de potadoes mnotáos (buacos) da base paa o emsso A soma destes dos fluxos conduz à coente de emsso. n lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

3 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Fluxos de coente num tanssto npn opeando na ZAD njecção de electões njecção de buacos n p n O tanssto é constuído de tal foma que patcamente toda a coente é consttuída pelo fluxo de electões do emsso paa a base. A egão do emsso é muto mas fotemente dopada do que a egão da base. A egão da base é muto fna compaada com a espessua das egões do emsso e do colecto. Os electões que fluem do emsso paa a base, ataessam esta egão e são ataídos paa o colecto, antes de hae tempo paa a ecombnação com os buacos na base. A coente no colecto é da mesma odem de gandeza da coente no emsso. lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

4 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Fluxos de coente num tanssto pnp opeando na ZAD njecção de buacos njecção de electões p n p O tanssto PNP opea de foma semelhante ao descto paa o tanssto NPN A tensão polaza dectamente a junção. A tensão polaza nesamente a junção. No tanssto PNP as coentes são sotudo dedas a coentes de buacos. As coentes de dfusão de electões les da base paa o emsso são muto pequenas em compaação com as coentes de buacos em sentdo contáo. A egão do emsso, tal como no tanssto NPN, é muto mas fotemente dopada do que a egão da base. A espessua da base é muta pequena em compaação com as dmensões do dsposto. lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

5 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) anssto de junção bpola (J) (conenções) NPN PNP Os sentdos de efeênca adoptados paa tensões e coentes aos temnas do tanssto são escolhdos de tal modo que, paa o funconamento na zona acta decta, as coentes são postas. O funconamento dos dos tpos de tansstoes é muto semelhante; quando se passa de um paa outo, todos os esultados se mantêm se se tocaem os sentdos das tensões e coentes. lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

6 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) anssto de junção bpola (J) (modos de opeação) Modo de opeação Junção Junção Aplcações Zona Acta Decta (ZAD) Polazada dectamente Polazada nesamente Amplfcadoes Zona de ote (Z) Polazada nesamente Polazada nesamente nteuptoes Potas lógcas Zona de Satuação (ZS) Polazada dectamente Polazada dectamente cutos L tc.. lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

7 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) anssto de junção bpola (NPN) (quações - esumo) Zona Acta Decta (ZAD) Zona de Satuação (ZS) â. á. > on sat e e 0,7 ( â + â â + 1).. 1 < â. Zona de ote (Z) on sat 0,7 0, 2 < 0,7 0 lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

8 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) anssto de junção bpola (NPN) Modelos paa snas fotes S e α. a) Fonte de coente contolada po tensão b) Fonte de coente contolada po coente S e β. c) Fonte de coente contolada po tensão d) Fonte de coente contolada po coente lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

9 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) anssto de junção bpola (PNP) Modelos paa snas fotes S e α. a) Fonte de coente contolada po tensão b) Fonte de coente contolada po coente S e β. c) Fonte de coente contolada po tensão d) Fonte de coente contolada po coente lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

10 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) uas caacteístcas do J (npn) f( ) paa constante S S β.exp(.exp( ) ) 1 > 2 > 3 0,5 0,8 0,5 0,8 Habtualmente consdea-se on 0,7 feto da tempeatua na caacteístca - de um tanssto npn. decesce apoxmadamente 2m/º. lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

11 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) uas caacteístcas do J (npn) f( ) paa constante Zona de satuação Zona acta decta A A tensão de aly Zona de cote lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

12 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Análse de ccutos dc com o J (npn) - (ecta de caga estátca) 5kΩ Da malha de saída tem-se: + ou kΩ quação de uma ecta, em que: paa paa 0 > 0 > PF - ponto de funconamento em epouso Q (1mA) PF... 10µA... PF( Q, Q )... Q (5) lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

13 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) anssto de junção bpola (NPN) (xemplos) β100 on 0,7 330kΩ 5kΩ kΩ 2,7kΩ 3,3kΩ +10 a) b) c) 5kΩ 10kΩ lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

14 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) anssto de junção bpola (PNP) (xemplos) β100 on 0, ,3kΩ kΩ kΩ 5kΩ 5 100kΩ 2,7kΩ 5kΩ -10 a) b) c) lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

15 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Análse de ccutos dc com o tanssto de junção bpola (npn) - (xemplo) 1. Malha de entada 3. Malha de saída + 4 0,7 330 k. + on on 10 µ A k.1m 0 5kΩ 2. quações do J β µ A 1mA + ( β + 1) µ A 1,01mA 1mA 4 330kΩ +10 lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

16 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) xemplos de polazação dc de ccutos com J s Malha ase-msso β. Malha olecto-msso lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

17 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) xemplos de polazação dc de ccutos com J s (polazação po dso de tensão) 1 H 2 H H H 1 1 // lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

18 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Polazação po dso de tensão (equalente de héenn da malha ase-msso) 1 H H 2. // 2 H H lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

19 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) 1 2 Polazação po dso de tensão e esstênca no msso H H A ntodução de uma esstênca no emsso taduz-se em ccutos com boa establdade do seu ponto de funconamento em epouso (PF) e faz com que a coente seja patcamente ndependente do alo de b e a coente patcamente ndependente de H H on + + +β+ ( 1) 0 H H on H on +β+ ( 1) H β. ( β+ 1) ( + ). lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

20 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Polazação com esstênca de ectoacção colecto-base e esstênca no emsso + ( + ( β + 1) + ) + ) ( β + 1) + ( β + 1) ( β + 1) 0 0 β. + ( + + ) + + ( ) 0 0 lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

21 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Polazação com duas fontes de tensão - + on + ( β+ 1) on + ( β + 1) 0 β lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

22 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Polazação com fonte de coente - α. β lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

23 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Hpótese: ZAD >0; β. ; on 0,7; > sat efcação da zona de funconamento de um ccuto com J s alcula (malha baseemsso) Sm >0 alcula (malha colectoemsso) > sat Sm Zona Acta Decta PF( Q, Q ) Não Não Zona de ote 0; 0; 0 <0,7 PF(, 0) Zona de Satuação sat 0,2 PF( sat, sat ) Pate-se da hpótese que o J está na ZAD; alcula-se a pat da malha de entada, ou base-emsso; Se o alo obtdo paa fo nulo ou negato conclu-se que o J está na Z - Zona de ote; 0; 0 e 0; o é nfeo a 0,7. Se o alo de fo posto calculamos β e calculamos a pat da malha colectoemsso. Se o alo obtdo paa fo nfeo ou gual a sat, concluímos que o J está na ZS- Zona de satuação. sat e há que calcula sat da malha de saída ( β ). Se o alo de fo supeo a sat, então o J enconta-se mesmo na ZAD e Q e Q são os obtdos nos cálculos anteoes. lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

24 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Funconamento do J no cote e satuação 5 Zona de ote : < 0,7 on < ,7 < 0 0 < < 5 100k Ω 4k Ω o Zona de Satuação : > 1,9 sat sat < β. sat 5 0,2 1,2mA 4k 0,7 > 12µ A 100k > 100k.12µ + 0,7 1,9 sat sat on sat > sat β 1,2mA 12µ A 100 o() 5 ote Zona acta Zona Acta Decta : 0,7 < < 1,9 0,2 Satuação 0,7 1,9 5 () lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

25 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Funconamento do J no cote e satuação ( β + 1) sat sat µ A 1,6mA 10 4,7k.1,6m 3,3.1,6m 2,8 < sat on sat sat 6 0,7 16µ A 101x3,3k sat 0,2 ZS 10 0,2 5,3 0,96mA 4,7k 1,6m 0,96m 0,64mA ,7k Ω 3,3k Ω lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

26 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) ondções D As condções de polazação D obtêm-se consdeando 0 S exp( / β / α / ) O J como amplfcado Soposção de um snal A à tensão D Se fo aplcada uma tensão A de alo, a tensão, alo total nstantâneo, é: + Da mesma foma tem-se paa a coente : ondções D; 0 S S exp( exp( / / ) ).exp( S exp[( / ) + ) / ] exp( / ) ondções A; 0 lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

27 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado Utlzando a apoxmação e x 1 + x se x << 1 Se << tem se exp( ) 1+ ( 1+ / ) + + como + tem se g m c c Defne se g m é desgnado po tanscondutânca c g m. b β β 1 β b ou b 1 β 1 + β β g m g β m g m β lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

28 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado PF t Opeação de um tanssto em snas facos: um snal faco com a foma snusodal sopõe-se à tensão, o que dá ogem a uma coente no colecto em A, c, também de foma snusodal que se sopõe à coente D, ; c g m.. t lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Feeeo de 2002

29 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado modelos paa snas pequenos O modelo -híbdo b c b c g m β. b e a) b) e g com g ou e com c m m c β. b b As fguas a) e b) epesentam duas esões lgeamente dfeentes do modelo -híbdo smplfcado do tanssto de junção bpola opeando com snas pequenos: m a) o J é epesentado po uma fonte de coente contolada po tensão [amplfcado de tanscondutânca] m b) o J é epesentado po uma fonte de coente contolada po coente [amplfcado de coente] lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

30 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado modelos paa snas pequenos O modelo em c c c g m com gm ou c α. e e e com e e b g m e e a) b) b e α. e e As fguas a) e b) epesentam duas esões lgeamente dfeentes do modelo em smplfcado do tanssto de junção bpola opeando com snas pequenos: m a) o J é epesentado po uma fonte de coente contolada po tensão [amplfcado de tanscondutânca] m b) o J é epesentado po uma fonte de coente contolada po coente [amplfcado de coente] stes modelos explctam a esstênca de emsso e em ez da esstênca de base p tal como apaeca nos modelos -híbdo lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

31 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado modelos paa snas pequenos Modelo -híbdo nclundo o efeto de aly b g m o c - A b e c Fazendo nclu o efeto de aly nos modelos -híbdo, ele taduz-se pela nclusão de uma esstênca o, de alo apoxmado A /, ente o colecto e o emsso. β. b o e o A lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

32 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado Paâmetos dos modelos paa snas pequenos m temos das condções D β g m e o A m temos do paâmeto g m e α 1 gm gm β g m m temos do paâmeto e α 1 1 g m ( β + 1)e gm + e e 1 e elação ente os paâmetos a e b β α 1 α α β β + 1 β α lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

33 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado ganho de tensão A tensão total nstantânea no colecto do tanssto,, é: ( + ) ce ( c + c ) Donde se conclu ce c omo ou ce ce c g g g m m m Ganho de tensão A g tem se: m omo ou ce β β. Ganho de tensão c ce b b e β. β. A b β. tem se : lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

34 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado análse de ccutos em ac Detemna o ponto de funconamento em epouso do tanssto e, em patcula, o alo da coente de colecto,. sta análse é feta consdeando apenas as fontes de tensão e coente dc e substtundo os condensadoes po ccutos em ato. alcula o alo dos paâmetos necessáos paa os modelos ncementas, paa pequenos snas: gm,, e epesenta o esquema ncemental equalente do ccuto amplfcado, substtundo as fontes de tensão dc ndependentes po cuto-ccutos e as fontes de coente dc ndependentes po ccutos em ato. Substtu cada um dos condensadoes de bloqueamento e contono po um cuto-ccuto. Substtu o tanssto po um dos modelos equalentes paa pequenos snas. Utlza-se-á o modelo que se entenda po mas conenente paa a análse da confguação em questão. Analsa o ccuto esultante de acodo com as les e egas da teoa dos ccutos, po foma a obte o ganho de tensão, o ganho de coente, a estênca de entada, etc.., etc. lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

35 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado exemplo +12 Petende-se detemna o ganho de tensão do amplfcado epesentado na fgua; β100. 5kΩ Detemnemos em pmeo luga o ponto de funconamento em epouso, fazendo kΩ o β. anssto 100.0,023m 2,3mA na on 15 5k.2,3m 3,5 ZAD : 3 0,7 0,023mA 100k PF(3,5;2,3mA) alculemos agoa os paâmetos paa os modelos paa snas pequenos 5kΩ e g m 25m 0,023m 25m 2,32m 1087Ω 10,8Ω 2,3m 92mA/ 25m 3 100kΩ 0,7 lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

36 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado exemplo (cont.) +15 Utlzemos o modelo -híbdo do tanssto, utlzando o paâmeto β, mas sem o, e substtuamos o ccuto pelo seu equalente ncemental. 5kΩ Da análse do ccuto temos: 100kΩ o b o A A + o c β. β. + β. 100x5k 4,95 1,087k + 100k o b + b 3 c β. b o O snal ( ) no ganho de tensão epesenta a nesão de fase do snal na saída em elação ao snal na entada e cuto equalente ncemental lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

37 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) O J como amplfcado confguações base onsdeam-se tês confguações base paa ccutos amplfcadoes com o tanssto de junção bpola: onfguação em emsso comum msso à massa em A Snal de entada ente a base e o emsso Snal de saída ente o colecto e o emso (massa) onfguação em colecto comum olecot à massa em A Snal de entada ente a base e o emsso Snal de saída ente o emsso e a massa onfguação em base comum ase à massa em A Snal de entada ente o emsso e a base Snal de saída ente o colecto e a base (massa) lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

38 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Amplfcado em msso-omum, o condensadoes de acoplamento (bloqueam as componentes contínuas na entada e na saída) S 1 o condensado de contono (bypass) A capacdade dos condensadoes de acoplamento e de contono é sufcentemente eleada paa que a sua eactânca se possa consdea como um cutoccuto peante as estantes mpedâncas do ccuto paa as fequêncas de nteesse. s 2 a) onfguação típca do amplfcado monoestágo em msso omum com componentes dscetos L o O ccuto equalente paa pequenos snas obtém-se substtundo o J pelo seu modelo equalente -híbdo, elmnando as fontes de tensão D e cutoccutando os condensadoes, o e. S b c s g m L o n o e b) cuto equalente paa pequenos snas do amplfcado em msso omum do ccuto a) lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

39 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Amplfcado em msso-omum (cont.) Ganho de tensão (com g m ) S b c A o s o g g m m // // + // S // L. L S // // + S s g m L o n o e a) cuto equalente ncemental modelo -híbdo com gm, despezando o face a e L Ganho de tensão (com β) S b c A o s b o β 1. b L L // // + β. // //. S S // // + S s β. b L o n o e b) cuto equalente ncemental modelo -híbdo com β, despezando o face a e L esstênca de entada esstênca de saída // // 1 // 2 ou o o o // lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

40 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Amplfcado em msso-omum (cont.) Ganho de tensão quando se substtu a malha consttuída po s, S e pelo seu equalente de héenn th b c th β. b //L o o th A β b // o s S // L β. // + th L th + b. + S S th +. th s e a) cuto equalente paa pequenos snas substtundo a malha consttuda po s, S e pelo seu equalente de héenn th b c Ganho de tensão quando se consdea o efeto de aly ( o ) th β. o b //L o o β ( A b o s o // // L ) β.( o // // + th L b ). + S th + th e a) cuto equalente paa pequenos snas quando se consdea o modelo -híbdo com o paâmeto o. lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

41 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Amplfcado em colecto comum (ou segudo de emsso) Ganho de tensão o A ( b Se e o s então // L ) ( β + 1) ( b + ( β + 1)( b // L ) // ( β + 1).( // L ) + ( β+ 1)( // ) << ( β + 1)( A 1 // daqu o nome de segudo de emsso o s L ) L L ) s S 1 2 a) onfguação típca do amplfcado em olecto omum ou Segudo de msso com componentes dscetos S b s c b L o e o L o esstênca de entada β. b + ( β + 1)( // L ) b) cuto equalente paa pequenos snas do amplfcado em olecto omum do ccuto a) lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002

42 Depatamento de ngenhaa lectotécnca (D) Amplfcado em msso-omum degeneado Ganho de tensão S 1 o o β o b // β. L // L. th + b th + th + ( β + 1 ) 1 th + ( β + 1) 1 s L o A o s th β. // L + + ( β + 1) 1. + S th a) Amplfcado em msso omum degeneado b c esstênca de entada th β. b //L o + ( β + 1) ( 1 ) // e 1 b) cuto equalente paa pequenos snas do amplfcado em msso omum degeneado do ccuto a) lectónca - usos de ngª lectotécnca e ngª de lectónca e omputadoes Luís eíssmo, Abl de 2002