Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação FEEC Universidade Estadual de Campinas Unicamp EE531 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA BÁSICA I EXPERIÊNCIA 2

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1 Faculdade de ngenharia létrica e de Computação FC Universidade stadual de Campinas Unicamp 531 LABORATÓRIO D LTRÔNICA BÁSICA I XPRIÊNCIA 2 TRANSISTOR BIPOLAR Prof. Lee Luan Ling 1 o SMSTR D

2 Objetivo: Caracterizar as curvas i v de um transistor bipolar de Si. Determinação de seus parâmetros. Análise de um amplificador na configuração emissorcomum. 2.1.a) Introdução teórica O transistor NPN contém duas junções PN, baseemissor e basecoletor. O esquema típico para o transistor NPN convencional pode ser visto na Fig. 2.1 C B N N P Fig. 2.1 Geometria para transistor tipo liga (alloy) O material fino do meio, a base (B), é feita com um semicondutor do tipo P. O emissor () é crescido com uma substância doadora, tipo N, fortemente dopada. O coletor (C) também de material tipo N, é normalmente dopado, porém possui uma área de contacto maior com a base, de tal modo que possa coletar praticamente toda a corrente eletrônica emitida pelo emissor. Apenas uma pequeníssima parcela das cargas negativas é recombinada com as lacunas da base, num bom transistor. A operação do transistor na região ativa normal se dá quando a junção baseemissor está polarizada diretamente e a junção basecoletor está polarizada reversamente. sta situação produz ganho de potência e o dispositivo pode ser usado como um amplificador de sinais. A fig. 2.2 ilustra esta situação: I C R C Vcc v e (t) V BB R b I B V B I V C v S (t) Fig. 2.2 Circuito transistorizado simples que permite amplificação. 2

3 As fontes de tensão V BB e V CC são empregadas para obter um ponto quiescente adequado. V CC pode ser 12 [V], 5 [V], ou qualquer outro valor mais interessante ao caso em questão. m uma situação normal, o valor quiescente V CQ é geralmente igual a V CC /2. Desta forma, há uma folga para excursão simétrica da tensão de saída v s (t) quando o circuito receber um sinal de excitação v e (t) diferente de zero. A polarização da base deve ser obtida mediante um valor mínimo de 0,7 [V] (ou próximo disso) para a bateria V BB. Na verdade, não é geralmente necessária uma bateria separada. Freqüentemente, V BB é derivada a partir da fonte de alimentação V CC (veja a Fig. 2.3.a) (a) V CC v e C IN R 1 R 2 R R C C v S (t) 10 [µf] (b) R1. R2 R R 1 2 V R 1 BB = V CC R1 R2 Fig. 2.3 Polarização de base mediante divisão resistiva Os resistores R 1 e R 2 servem para produzir uma divisão de tensão. O equivalente Thévenim para o circuito de entrada do amplificador, está ilustrado na Fig. 2.3.b. O fato notável no comportamento do transistor bipolar, é que os mesmos resultados em termos das relações voltampére, não podem ser obtidos a partir de dois diodos isolados. 3

4 2.1.b) Curvas características e modelo incremental πhíbrido Para o transistor NPN, há quatro regiões de operação possíveis, conforme ilustra a Fig. 2.4, de acordo com as polaridades das tensões aplicadas às junções baseemissor e basecoletor. V BC Ativa reversa Saturação V B Corte Ativa normal Fig. 2.4 Regiões de operação do Transistor NPN Na configuração emissorcomum (Fig. 2.2 e 2.3),se o transistor estiver adequadamente polarizado, este produz ganho de tensão. A Fig. 2.5 apresenta a curva característica I C V C, parametrizada pela corrente de base I B. I C [ma] I C2 I CQ I C1 V A V C1 V CQ V C2 V C [V] Fig. 2.5 Curva típica de corrente de coletor I C versus tensão coletoremissor V C, para I B = cte. 4

5 A inclinação exagerada vista na curva da Fig. 2.5 não ocorre normalmente. Na realidade esta curva é quase horizontal para o transistor. A eficiência do mesmo pode ser avaliada pelo chamado fator α, de acordo com a relação abaixo: IC α = (2.1) I O fator α é aproximadamente igual a 1. A relação acima indica que, em operação normal, quase toda a corrente I emitida pelo emissor do transistor é coletada como corrente de coletor I C, devido a sua geometria de fabricação. Para avaliar a resistência de saída r 0 = V C / I C de coletor, é necessário avaliar a qualidade da fonte de corrente controlada do modelo πhíbrido. Quanto mais plana (horizontal) é a curva da Fig. 2.5 maior é o valor de r 0. O módulo da tensão de arly V A apresentada na Fig. 2.5, pode atingir tipicamente centenas de volts. seu valor pode ser estimado por: V A VC2IC1 VC1IC2 = (2.2) I I C2 C1 Assim, podese estimar o valor de a resistência de saída r 0 utilizando as tensões e correntes quiescentes V CQ e I CQ para uma dada polarização do transistor: V V C A VCQ VA r0 = = (2.3) I I I C CQ Na verdade, a proximidade das junções baseemissor e basecoletor, bem como as características de dopagem das mesmas, permitem concluir sobre o modelo πhíbrido visto na Fig CQ B i b B C v be r bb r π v π g m v π r 0 R C v S (t) Fig. 2.6 Modelo πhíbrido simplificado do transistor bipolar NPN 5

6 O fato notável deste modelo é a fonte de corrente controlada no circuito de saída (coletor). Outro fato que merece destaque neste modelo é que, praticamente toda a tensão incremental (dinâmica) v be é aplicada na base efetiva, ou seja, sobre o resistor r π (uma parcela é perdida no chamado resistor de espalhamento de base r bb ). Podese desprezar r bb, uma vez que ele tem uma valor típico de cerca de 50 [Ω], para os transistores usados neste laboratório. Observe que o resistor R C não pertence ao modelo πhíbrido interno do transistor, ele é apenas um resistor externo de carga ou de coletor. Por outro lado, r 0 é um resistor de saída no modelo (seu valor pode atingir muitas dezenas de kω, no caso geral). 2.1.c) Relações úteis no transistor NPN: Devido ao efeito transistor ocorre uma amplificação de corrente, ou seja, I C = βi B (2.4) A corrente convencional que sai do emissor é a soma das correntes de base e de coletor, isto é, I I B = I C (2.5) Podese mostrar que, desprezando a resistência r bb, a resistência r π pode ser calculada através da seguinte relação: v ( β ) r = ( β ) be π = e 1 ib r VT 1 η (2.6) I Portanto, a pequena resistência diferencial de emissor r e (ou resistência dinâmica de um diodo) fica multiplicada pelo fator (β 1) devido ao efeito transistor. O modelo da Fig. 2.4 é incremental, assim os valores estáticos dependem do ponto de operação. O Modelo não mostra o valor de uma bateria de valor igual a 0,7 [V] entre a base e o emissor, embora um voltímetro DC colocado entre a base e o emissor acuse tal valor (suponha aqui a situação de polarização normal no circuito da Fig. 2.2). 6

7 2.2 Parte Prática 2.2.a) Levante os pontos pedidos na Tab. 2.1, empregando circuito semelhante àquele visto na Fig. 2.2, para obter as curvas características de transferência do transistor BD 135 (NPN). Tab. 2.1 I B = 10 [µ A] I B = 20 [µ A] I B = 30 [µ A] V C [V] I C [ma] I C [ma] I C [ma] 0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 8,0 10,0 12,0 Obs: squematize também o circuito empregado. 2.2.b) Trace agora as três curvas I C [ma] V C [V] num mesmo gráfico, parametrizadas pelas correntes de base dadas. Comente e conclua sobre os resultados obtidos. 2.2.c) Obtenha o valor do fator de amplificação de corrente β = I C /I B a partir dos valores obtidos para as três correntes de base, no ponto V C = 5 [V].Comente. 2.2.d) Prove que a fonte de corrente controlada no modelo πhíbrido (Fig. 2.6) pode ser expressa também como βi b (controlada pela corrente de base i b ). Mostre que a relação abaixo também é válida. Comente sobre eventuais aproximações. β = g m r π (2.7) 2.2.e) Usando a relação 2.6 avalie a resistência diferencial de emissor r e para os pontos de V C = 5 [V], para os três valores de corrente de base. stime também os três valores de r π, empregando os valores de β obtidos em 2.2.c. Use temperatura ambiente igual a 27ºC. 2.2.f) Do experimento anterior, podese usar a relação aproximada abaixo para o transistor. VB I C = βi B = βi S exp 1 (2.8) ηvt Definese a transcondutância g m como sendo a grandeza incremental (derivada) mostra abaixo. 7

8 g m IC IC = = (2.9) V V B B Note que g m é dado em (mho) ou [siemens], e é a condutância de transferência da entrada (V B ) para a saída (I C ). Prove que na temperatura ambiente (300 [K]) vale a relação a seguir. Comente e conclua. g m 38,6I = η C (2.10) 2.2.h) Projete o amplificador de tensão visto na Fig. 2.3a, para alimentação V CC = 12[V]. São exigidos os valores quiescentes: V CQ = 6 [V] e V BQ = 1,2 [V]. Dimensione R 1, R 2 e R 3. Utilize R C igual a 1,2 kω e use um capacitor de 10 [µf] eletrolítico (cuidado com a polaridade!) para filtrar a fonte de alimentação V CC. Obs.: Projete o circuito amplificador para alimentar uma carga de R L = 1,2 kω (não mostrado na Fig. 2.3.a). Use um capacitor eletrolítico (cuidado com a polaridade!) de valor adequado, para evitar que a tensão de polarização do coletor atinja a carga, bloqueando assim a tensão contínua. Detalhar todos os passos do projeto. Faça um esquemático completo do amplificador projetado. scolha um valor adequado para o capacitor de passagem ( by pass ) indicado por C, para que o resistor R não saia na fotografia, isto é, para que o resistor R seja um curto no modelo de tensões e correntes alternadas. Utilize a relação abaixo: 1 << R (2.11) ωc onde ω = 2πf., f é a freqüência de operação. A relação 2.11 deve ser testada para a menor freqüência que o amplificador deverá passar, já que o problema de perda de ganho ocorre nas baixas freqüências. Os limites superiores de freqüência dependem muito do próprio transistor, devido às suas capacitâncias parasitas internas (não mostradas no modelo). 2.2.i) Monte o circuito projetado aplicando a tensão V CC = 12 [V] e meça as tensões quiescentes na base (V BQ ), no coletor (V CQ ) e no emissor (V Q ). 2.2.j) Utilizando um gerador de funções injete no circuito um sinal senoidal de 1 [khz] e com um valor de amplitude adequado. Observe o comportamento do circuito com o auxílio de um osciloscópio e imprima as formas de onda de tensão de entrada e de saída. Obs.: Deixe o OFFST do gerador desligado (0 V). Como a entrada tem nível DC de polarização (1,2 V), empregue um capacitor de entrada C IN eletrolítico. Cuidado, pois ele age no sentido de filtrar as baixas freqüências. 8

9 Utilize acoplamento AC nas entradas do osciloscópio. Por que? Comente e conclua sobre os resultados obtidos informando o ganho de tensão G V obtido: G V Vs = V (2.12) Obtenha ainda o ganho G V em [db] fazendo: 20 V (2.13) [ ] S db = log V GV l) Mostre finalmente que o ganho de tensão G V da relação (2.12) pode ser estimado pela relação: G V = g m R carga 40 I C R carga (2.14) 9