Transistores Bipolares de Junção (BJT) TE214 Fundamentos da Eletrônica Engenharia Elétrica

Transcrição

1 Transistores Bipolares de Junção (BJT) TE214 Fundamentos da Eletrônica Engenharia Elétrica

2 O nome transistor vem da frase transferring an electrical signal across a resistor

3 Plano de Aula Contextualização Objetivo Definições e Estrutura Características Tensão-Corrente Modos de Operação Aplicações Básicas Conclusões

4 Contextualização Onde os transistores bipolares são usados? Veja mais exemplos em: bipolar transistors application notes

5 Objetivo Visão geral sobre os transistores bipolares Compreender seus diferentes modos de operação Conhecer algumas aplicações básicas

6 Questões Chave Qual a estrutura de um transistor bipolar? Como uma transistor de junção bipolar opera? Quais são as principais dependências das correntes de terminal de um BJT no regime ativo direto?

7 Definições O BJT é um dispositivo de 3 terminais Dois tipos diferentes: npn e pnp. Os símbolos do BJT e seus diagramas de bloco correspondentes: Os BJTs tem 2 junções (fronteira entre as regiões n e p).

8 Estrutura Por enquanto é suficiente dizer que a estrutura mostrada na figura anterior não é simétrica. As regiões n e p são diferentes tanto geometricamente quanto em termos de concentração de dopagem. Por exemplo, a concentração de dopagem no coletor, base e emissor devem ser 10 15, e respectivamente. Portanto, o comportamento do dispositivo não é eletricamente simétrico e as duas terminações não podem ser permutados. Atividade Extra-Classe: Ler sobre a estrutura do BJT. Sedra, Cap.5, Sec. 5.1 a 5.3 / Boylestad Cap.3, Sec. 3.1 a 3.3

9 Estrutura

10 Modos de Operação Como cada junção possui dois modos de polarização (direta ou reversa), o BJT com suas duas junções têm 4 modos possíveis de operação. Ativa Direta: dispositivo tem boa isolação e alto ganho regime mais útil; Saturação: dispositivo não tem isolação e é inundado com portadores minoritários). Leva tempo para sair da saturação evitar! Ativa Reversa: ganho baixo pouco útil; Corte: corrente desprezível: quase um circuito aberto útil;

11 Operação no Modo Ativo Direto Considerando o circuito abaixo: A junção Base-Emissor (B-E) é polarizada diretamente A junção Base-Coletor (B-C) é polarizada reversamente. A corrente através da junção B-E está relacionada a tensão B-E por: i E I S V BE V ( e T 1)

12 Operação no Modo Ativo Direto

13 Operação no Modo Ativo Direto Devido as grandes diferenças de dopagem das regiões do emissor e da base, os elétrons injetados na região da base (da região do emissor) resulta na corrente do emissor (i E ). Além disso o número de elétrons injetados na região do coletor é diretamente relacionado aos elétrons injetados na região de base a partir da região do emissor. Portanto, a corrente de coletor está relacionada a corrente do emissor que é conseqüentemente uma função da tensão B-E.

14 Operação no Modo Ativo Direto A tensão entre dois terminais controla a corrente através do terceiro terminal. Este é o princípio básico do BJT! (efeito transistor)! i C controlada por v BE, independente de v BC

15 Operação no Modo Ativo Direto A corrente de coletor e a corrente de base estão relacionadas por: C i B e aplicando a LCK obtemos: i i E i C i B Então, das equações anteriores, o relacionamento entre as correntes de emissor e base: i ( 1 ) E i B β depende da largura da região da base e das dopagens relativas das regiões da base e do emissor.

16 Operação no Modo Ativo Direto e equivalentemente i C i E 1 A fração é chamada de α e i E pode ser escrita como: v 1 I BE i S VT E e Para transistores de interesse, β = 100 que corresponde a α = 0.99 e i C i E BJTs estado-da-arte atuais: i C ~0,1 1mA, β ~ β é difícil de controlar rigorosamente. Técnicas de projeto de circuito são necessárias para insensitividade a variações em β.

17 Operação no Modo Ativo Direto Modelo de circuito equivalente

18 Operação no Modo Ativo Direto A direção das correntes e as polaridades das tensões para NPN e PNP.

19 Características Tensão-Corrente Três tipos diferentes de tensões envolvidas na descrição de transistores e circuitos. São elas: Tensões das fontes de alimentação:v CC e V BB Tensões nos terminais dos transistores:v C, V B e V E Tensões através das junções: V BE, V CE e V CB

20 Características Tensão-Corrente Os 3 terminais dos transistores e as duas junções, apresentam múltiplos regimes de operação Para distinguir estes regimes, temos que olhar as características tensão-corrente do dispositivo. A característica mais importante do BJT é a o traçado da corrente de coletor (I C ) versus a tensão coletor emissor (V CE ), para vários valores da corrente de base I B.

21 Características Tensão-Corrente Curva característica qualitativa do BJT. O gráfico indica as 4 regiões de operação: saturação, corte, ativa e ruptura.

22 Características Tensão-Corrente Região de Corte (cutoff): junção Base-Emissor é polarizada reversamente. Não há fluxo de corrente. Região de Saturação: junção Base-Emissor polarizada diretamente, junção Coletor- Base é polarizada diretamente.i C atinge o máximo, que é independente de I B e β. Sem controle. V CE < V BE Região Ativa: junção Base- Emissor diretamente polarizada, junção Coletor- Base polarizada reversamente. Controle, I C = β I B. V BE < V CE < V CC Região de Ruptura (Breakdown): I C e V CE excedem as especificações. Dano ao transistor.

23 Aplicações do BJT Como Chave Se a tensão v i for menor que a tensão necessária para polarização direta da junção EB, então I B =0 e o transistor está na região de corte e I C =0. Como I C =0, a queda de tensão sobre R C é 0 e então V o =V CC.

24 Aplicações do BJT Como Chave (cont.) Se a tensão v i aumenta de modo que a tensão V BE polariza diretamente a junção BE, o transistor ligará e I B v i V R B BE Uma vez ligado, ainda não sabemos se ele está operando na região ativa ou saturação

25 Aplicações do BJT Como Chave (cont.) Entretanto, aplicando LTK no laço C-E, temos: ou V I R V 0 CC C C CE V CE V CC I C R C A equação acima é a equação da linha de carga para este circuito. Note que V CE = V o

26 Aplicações do BJT Como Chave (cont.) Equação da linha de carga: V CE V CC I C R C

27 Aplicações do BJT Lógica Digital Circuito inversor básico Se a tensão v i for zero (baixa) o transistor está na região de corte, a corrente I C =0 e a tensão V o =V CC (alta). Por outro lado, se a tensão v i for alta, igual a V CC, por exemplo, o transistor é levado a saturação e a saída é igual a V CE(sat) que é baixa. Este circuito é a base para construirmos qualquer outra operação lógica.

28 Aplicações do BJT Exercício: Lógica Digital Para o circuito abaixo, complete a tabela lógica V 1 V 2 V o Alto Baixo Baixo Alto Baixo Alto Baixo Alto

29 Aplicações do BJT Como Amplificador O circuito inversor básico também forma o circuito amplificador básico. A curva de transferência de tensão (tensão de saída em função da tensão de entrada) é a caracterização fundamental de um amplificador

30 Aplicações do BJT Como Amplificador (cont.) Curva de transferência de tensão Note a grande inclinação da curva no modo ativo. Uma pequena mudança na tensão de entrada v i induz uma grande mudança na tensão de saída V o uma amplificação.

31 Aplicações do BJT Como Amplificador (cont.) Curva de transferência de tensão

32 Principais Conclusões O emissor injeta elétrons na base O coletor coleta elétrons da base A base injeta lacunas no emissor I C controlada por V BE, independente de V BC (efeito transistor) Modo Ativo Direto: mais útil, dispositivo tem ganho e isolação. Saturação: dispositivo inundado com portadores minoritários. Não é útil. Corte: dispositivo aberto. Útil.

33 Referências SEDRA, A. S. e SMITH, K. C., Microeletrônica, 5a. Edição, Makron Books, BOYLESTAD, R. L. e NASHELSKY, L., Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, 6a. Edição, Editora PHB, 1998.

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