Transistor 6

5/19/2018 Transistor 6

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O inversor lgico bsico empregando TJBLivro texto, item 4.14 (4aedio)

Vimos como vantagens do uso do TJBpara implementao do inversor:

A dissipao de potncia no circuito

relativamente baixa, tanto no corte quanto

na saturao: no corte todas as correntesso zero (exceto pelas pequenas correntes

de fuga); em saturao a tenso sobre o

transistor muito pequena (VCEsat).

Os nveis de tenso de sada (VCC e VCEsat)so bem definidos. Em contraposio, se o

transistor opera na regio ativa, vO= VCC

RC iC= VCCb iBRC , que fortementedependente do parmetro b do transistor,que por sua vez pouco controlvel.


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A caracterstica de transferncia de tenso

Caracterstica de transferncia

Aproximada por 3 segmentos de reta(retas assintticas) correspondentes

operao do TJB nas regies de corte,

ativae saturao, conforme indicado.

Determinar as coordenadas

dos pontos notveis da

caracterstica de transferncia,

para: RB= 10 kW, RC= 1 kW,b= 50 e VCC= 5 V.


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A caracterstica de transferncia de tenso (2)

V.5V2,0sat

CCOHOCEOLI VVvVVv

V7,0conduoainiciartransistoo: ILILI VVv

b rR

R

vi

voA

VvV

BCv

IHIIL

:sinaispequenosparaGanho

or.amplificad:ativaregionaestrtransistoo:

GanhoA vdepende do valor de rdeterminado porICe, ,pelo valor de vI .

Se IC rRB>> r V/V510150

B

Cv

RRA b

:paradevalorosaturaoainiciartransistoo: IIHIHI vVVv

b

CCECC

EOSBB

RVV

II

/)(sat

)(


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As margens de rudo podem agora ser determinadas por (reveja a

seo 1.7 do livro texto):

As duas margens de rudo so muito diferentes este circuito

pouco ideal (por que?).

Para os valores aqui utilizados:

V66,1mA096,0 (EOS)(EOS) BEBBIHB VRIVI

V5,02,07,0

V34,366,15

OLILL

IHOHH

VVR

VVR

:saturadofortementeestrtransistoo:V5 OHI Vv

1,1

43,08,4eV2,0 sat

sat

BBEOH

CCECCforadoCEO

RVVRVVVv b



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V/V57,066,1

2,05tensodeGanho

O ganho na regio de transio pode ser determinado a partir das

coordenadas dos pontos notveis X e Y:

Observe que o fato de ser exatamente o mesmo valor encontrado

anteriormente uma coincidncia.


Circuitos TTL: transistor transistor logic. Circuitos lgicos com

TJB saturado.

Limitao de velocidade de operao em razo dos tempos de atraso

relativamente longos necessrios para cortar um transistor saturado.Para atingir velocidades de resposta elevadas, o TJB no deve entrar na

saturao.

Armazenamento de cargas portadoras minoritrias na base de um

transistor saturado. Leiam com cuidado este item do livro texto, paramelhor entender a limitao de velocidade de operao.


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Caractersticas estticas completasLivro texto, item 4.15 (4aedio)

Capacitncias internas e efeitos de segunda ordem.

iCvCB: Caractersticas de base comum- (npn).

vCB< 0 : JCBdiretamente polarizada iCdiminui, iEconst.iBaumenta em um valor igual diminuio em iC (saturao).


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Caractersticas de base comum

Observe que, na regio ativa, as curvas caractersticas

apresentam uma pequena inclinao Indica que, na

configurao BC, iC depende um pouco da tenso vCB (uma

manifestao do efeito Early).

No entanto, a inclinao das curvas iCvCBmedidas para uma

corrente iEconstante muito menor que a inclinao das curvas

iC vCE medidas para uma tenso vBE constante. Isto , aresistncia de sadada configurao BC muito maior do que a

do circuito ECcom vBEconstante (i.e, ro).

Outro ponto importante: uma vez que iCvCB medida para iEconstante, um aumento de iC com vCB implica uma

correspondnete reduo em iB.A dependncia de iBcom vCB:

adio de um resistor rm entre C e B no modelo -hbrido

modelo expandido.


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Caractersticas de base comum (2)

Figura 4.64 O modelo -hbrido,

incluindo a resistncia rm, que

modela o efeito de vcem ib .

rm

rm tipicamente maior que b ro .

Este modelo -hbrido expandido pode ser usado para

determinar a resistncia de sadaRsadada configurao BC =o

inverso da inclinao das linhas das curvas caractersticas iCvCB

B aterrada; E em aberto (iE constante); aplique uma tenso

entre Ce o terrae determine a corrente drenada da tenso de

teste. Rsadarm// b ro (muito elevada)


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Caractersticas de emissor comum

Figura 4.65

Caractersticas de

emissor comum. Note

que a escala horizontal

foi expandida em torno

da origem para mostrar

a regio de saturaoem mais detalhe.

iB mantida constante para cada curva iC vCE(diferentementeda figura 4.15, em que vBE era mantida constante). Ainclinao na regio ativa diferente de 1 / ro . No caso, a

inclinao maior.


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Caractersticas de emissor comum (2)Pode-se mostrar (vide problema 4.47) que a resistncia de sada da

configurao EC para iB constante aproximadamente igual a [ro //(rm/b].

Na regio ativa: o transistor atua como uma fonte de corrente com uma

resistncia de sada elevada (mas finita).

Na regio de saturao: o transistor se comporta como uma chavefechadacom uma pequena resistncia de fechamentoRCEsat.

Na saturao, as curvas no se diritem para a origem. Para um dado

valor de iB, a caracterstica iC vCE na saturao pode ser aproximada

por uma linha reta que intercepta o eixo vCEem um ponto VCEofftensoresidual (offset) da chave transistorizada. Transistores de efeito de

campo (FET) no apresentam tais tenses residuais e, portanto, se

apresentam como chaves mais ideais.

FETs, no entanto, apresentam valores maiores de resistncia de

fechamento.


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Caractersticas de emissor comum (3)

O comportamento do TJB na saturao figura 4.67 segue de

perto o previsto pela equao 4.114 (VCEsat), obtida a partir domodelo de Ebers-Moll.

Figura 4.66 Uma viso expandida das

caractersticas de ECna regio de

saturao.

Figura 4.67 Uma das curvas caractersticas

iC vCE na regio de saturao. Note que a

caracterstica pode ser modelada por umatenso residual VCEoff e por uma resistncia

de pequeno valorRCEsat.


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O bdo transistorTransistor: operando com uma corrente de baseIBQ, uma corrente

de coletor ICQ e uma tenso C

E VCEQ . Definido o ponto deoperao Q.

A razo entre ICQ e IBQ chamada de b cc ou hFE (parmetro hdireto na configurao emissor comum vide Apndice B

Parmetros de quadripolos).

Transistor usado como um amplificador primeiramente

polarizado em um ponto Q.Sinais aplicados ao circuito causammudanas incrementais em iB, iCe vCEem torno de Q.

Pode-se definir um b incremental ou camantendo a tenso C-Econstante em VCEQ(a fim de eliminar o efeito Early) e variando iB

de um incremento DiB. Se iCvariar em um incremento DiC:

BQ

CQFE

I

Icch b


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O bdo transistor (2)

vCE = constante vce = 0 hfe: ganho de corrente

de curto-circuito.

Anlises para pequenos

sinais: b= bca(hfe).

Anlise ou projeto de um

circuito de chaveamento:b= bcc(hFE).

Observe que o valor de bdepende do nvel de

corrente no dispositivo Figura 4.68.

constante

D

D

CEvB

C

fe i

icah b

Figura 4.68 Dependncia tpica de bcomIC e

com a temperatura em um moderno transistor npn

de silcio empregado em circuitos integrados

projetado para operar em torno de 1 mA.


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Os parmetros Hquadripolos (Apnd. B)

2 variveis de excitao (ex: V1e V2 )

2 variveis de resposta (ex: I1e I2 )

A caracterizao hbrida (ou parmetros h) da rede de doisacessos baseada na excitao da rede por I1e V2 (variveisindependentes):

Rede

linear dedois

acessos

2221122

2121111

VhIhIVhIhV

h11: a impedncia de entrada no acesso 1 com o acesso 2 curto-circuitado

h12: a razo de tenso reversa ou de realimentao da rede, medida como acesso de entrada em circuito aberto.


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Os parmetros Hquadripolos (2)

h21: o ganho de corrente da rede com o acesso de sada curto-circuitado

(ganho de corrente em curto-circuito).

h22

: a admitncia de sada com o acesso de entrada em circuito aberto.


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Os parmetros Hquadripolos (3)FONTE: http://engphys.mcmaster.ca/~glen/2e4/lab6.pdf

(1) hie: Impedncia de entrada (Vin/ Iin), quando Vout= 0 (em curto).

(2) hre: Relao entre a tenso de entrada e a tenso de sada (Vin/ Vout),forando Iina zero (circuito aberto).

(3) hfe: Ganho de corrente (Iout/ Iin) com Vout= 0 (em curto).

(4) hoe: Condutncia de sada (Iout/ Vout) com Iin= 0 (circuito aberto).

Observao: correntes e tenses ac. Modelo linear variaes pequenasem torno do ponto de operao.

- Equivalente Norton no acesso de sada;

- Equivalente Thevenin no acesso de entrada.


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Aplicaes:Resistor srie:

TJB 2N3904 (polarizado com IC= 1 mA) (configurao EC):


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Os parmetros (Y) so complexos, de modo a levar em

considerao os efeitos das altas freqncias.

Circuito amplificador integrado Motorola, part # MC1590

(15 transistores, diodos e resistores

caracterizao de quadripolo)


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TJB: regio de saturaoanlise grfica

Reta de cargaQ

Figura 4.69 Expanso da regio de saturao das curvas caractersticas juntamente

com uma reta de carga que resulta na operao em um ponto Qna regio de saturao

Nesse caso, variaes na corrente de base resultam em variaes muito pequenas

em iCe vCEe o bincremental (bca) muito pequeno.


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A ruptura do transistorAs tenses mximas que podem ser aplicadas ao TJB so

limitadas pelos efeitos de ruptura nas junes EB e CB(mecanismo de avalanche).

Configurao BC: Caracterstica iC vCB (Figura 4.63)

Para iE= 0 (emissor em aberto), a juno CBse rompe parauma tenso denominadaBVCBO(Breakdown Voltage between

Collector and Base with emitter Open). Tipicamente,

BVCBO> 50V.

Configurao EC: Caracterstica iC vCE (Figura 4.65) Ruptura ocorre para uma tensoBVCEO(s vezes chamado de

tenso de manuteno LVCEO (sustaining voltage)

Tipicamente,BVCEO metade deBVCBO.


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A ruptura do transistor (2)Ruptura da JCB(configuraes BCe EC)no destrutiva,

enquanto a dissipao de potncia no dispositivo for mantidadentro de limites seguros.

Ruptura da JEB: A JEB rompe-se por avalanche para uma

tenso BVEBO muito menor que BVCBO . Tipicamente,

BVEBOest na faixa de 6 a 8 V, e a ruptura destrutiva O bdo transistor permanentemente reduzido.

Esta reduo do bno preocupante quando da utilizao daJEB como um diodo zener para gerar tenses de referncia

em projetos de CIs.

A ruptura do transistor e a mxima dissipao de potncia

admissvel so parmetros importantes no projeto de

amplificadores de potncia.


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A ruptura do transistor (3)

Exerccio 4.42: Qual a tenso de sada do

circuito da figura se o BVBCO do transistor

de 70V?

Resp:60 V


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Capacitncias internas no TJBLembrem-se que a junopnexibe efeitos de armazenamento

de cargas que podem ser modelados como capacitncias.

A capacitncia de difuso ou de carregamento de base

Cde.

Quando o transistor est operando no modo ativo ou de

saturao, cargas devidas aos portadores minoritrios so

armazenadas na regio de base:

tF: tempo de trnsito de base direto (forward base-transit time)Representa o tempo mdio que um portador de carga (eltron) leva

para atravessar a base.Tipicamente: faixa de 10 a 100 ps. (No

modo ativo reverso:tR>> tF ).

CFCnn iiD

W

Q 2

2

t

Constante do dispositivo, com

dimenso de tempo

Aplicvel a grandes sinais


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Capacitncias internas no TJB (2)

iC: exponencialmente relacionada a vBEQndepende de vBEda mesma formaEfeito capacitivo no-linear.

Para pequenos sinais: capacitncia de difuso Cde:

A capacitncia da juno base-emissor ou da camada dedepleo Cje:

CFCn

n iiD

W

Q 2

2

t

T

CFmFde

BE

CF

BE

nde

V

IgC

dv

di

dv

dQC ttt

m

e

BE

jeje

V

V

CC

0

0

1

O valor de Cjepara tenso zero

Tenso interna da JEB (tipicamente, 0,9 V)

Coeficiente de graduao da JEB

(tipicamente, 0,5)


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Capacitncias internas no TJB (3)A capacitncia da juno coletor-base ou de depleo C :

No modo ativo de operao, a JCB est reversamente

polarizada e sua capacitncia de juno ou de depleo:

O modelo -hbrido para altas freqncias:

C= Cde+ Cje: capacitncia de EB(tipicamente, na faixa de

alguns pF at algumas dezenas de pF).

Cm: a capacitncia de CB (tipicamente, na faixa de uma

frao de pF at alguns poucos pF).

m

c

CB

V

V

CC

0

0

1

mm

O valor de Cmpara tenso zero

Tenso interna da JCB (tipicamente, 0,75 V)

Coeficiente de graduao da JCB(tipicamente, 0,20,5)


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O modelo -hbrido para altas freqncias

Resistncia rmomitida (mesmo em freqncias mdias, a reatncia de Cm

muito menor que rm.

Adicionou-se a resistncia rx: para modelar a resistncia do silcio da

regio de base entre o terminal de base Be um terminal de base interno

(ou intrnseco) fictcio B, que est posicionado exatamente sobre aregio do emissor.Tipicamente, rx da ordem de algumas dezenas de

ohm e seu valor depende do nvel de corrente de uma maneira

relativamente complicada. Como rx


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Comportamento de chaveamento do TJBFONTE: http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/book/chapter5/pdf/ch5_6_2.pdf

td,1: initial delay time (carregamento da capacitncia da JBE).

trise: tempo de subida da corrente de coletor.

td,2: delay time (descarregamento da capacitncia da JBE enquanto houver

carga significativa armazenada na regio da base, a corrente de coletor

continuar a existir.).


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A freqncia de corteAs especificaes do TJB fornecidas pelo fabricante

normalmente no especificam o valor de C. Normalmente fornecido o comportamento de b ou hfe emfuno da freqncia. (Para determinar C e Cm, deve-se

deduzir expresses para hfe em funo da freqncia em

termos dos parmetros -hbridos).circuito.-curtodecoletordecorrente:)( mVsCgI mc

Figura 4.71 Circuito para determinar uma expresso para hfe(s) Ic /Ib.


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A freqncia de corte (2)

)////( m CCrIV b Impedncia vista entre B e E

)(/1

m

m

CCsr

Csg

I

Ih

m

b

cfe

mm

m

b

rCCsh

rCCs

rgh

Cg

fem

fe

m

)(1

)(1

:vlido,modeloestequeemsfreqnciaasPara

0

Valor de bpara baixasfreqncias


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A freqncia de corte (3)

m

b

rCCshfe

)(1

0

: Resposta de plo simples com uma

freqncia de corte em = b.

m rCCb 1

bT b 0 : freqncia de ganhounitrio.

m

CC

gmT

m CC

gf mT

2

A faixa de passagem de ganho unitriofT usualmente includa pelo fabricante

do transistor em suas especificaes

(tipicamente na faixa de 100 MHz at

dezenas de GHz).


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A freqncia de corte (4)Em alguns casos,fT fornecida em funo deICe VCE.

gm: diretamente proporcional aIC ;

C: apenas uma parte (a capacitncia de difuso Cde) diretamente

proporcional aIC .fTdiminui para baixas freqncias.

Diminuio de fT para altas correntes: mesmo fenmeno que reduz b0para altas correntes.

Na regio em que fT praticamente constante: C dominada pela

componente de difuso.


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A freqncia de corte (5)Observaes importantes:

O modelo -hbrido da figura 4.71 caracteriza a operao dotransistor com razovel preciso at freqncias de cerca de 0,2 T.

Para freqncias mais altas deve-se adicionar outros elementos

parasitrios no modelo, alm de refinar esse modelo para considerar

que o transistor se torna uma rede de parmetros distribudos que

estamos tentando modelar atravs de um circuito com componentes

concentrados.

No modelo da figura 4.71, para freqncias acima de 5 a 10 b,pode-se ignorar a resistncia r. Nesse caso, rx torna-se a nica

parte resistiva da impedncia de entrada. Uma determinaoprecisa de rxdeve ser feita a partir de medidas em altas freqncias.

A f i d


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Figura 5.71 (5a edio) (a) Amplificador EC acoplado por capacitores. (b) Esboo da

magnitude do ganho do amplificador EC pela freqncia. O grfico define trs bandas de

freqncia relevantes determinao da resposta em freqncia.

A resposta em freqncia do

amplificador EC


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Figura 5.72 (5a edio) Determinao da resposta em alta freqncia do amplificador EC: (a)

circuito equivalente; (b)o circuito em (a) simplificado tanto no lado de entrada quanto no lado de

sada; (c) circuito equivalente com Cm substitudo no lado da entrada pela capacitncia

equivalente Ceq; (d) esboo do grfico da resposta em freqncia, a qual a resposta de umcircuito passa-baixas STC (constante de tempo nica).


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Figura 5.73 (5a edio) Anlise da resposta em baixa freqncia do amplificador

EC: (a) circuito amplificador com as fontes dc removidas; (b) o efeito de CC1

determinado assumindo-se que CEe CC2atuam como curtos perfeitos;


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Figura 5.73 (Continuao) (c) o efeito de CE determinado assumindo-se que CC1e

CC2atuam como curtos perfeitos; (d)o efeito de CC2 determinado assumindo-se que

CC1e CEatuam como curtos perfeitos;


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Figura 5.73 (Continuao)(e) esboo do ganho em baixas freqncias

assumindo-se que CC1, CE e CC2 no interaem e que suas freqncias dequebra (ou plos) encontram-se bastante separados.

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