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Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 1
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 2
http://www.stanford.edu/class/ee122/Handouts/
Desde o início do século XX, até á década de 50’s o reinado foi da válvula de vácuo, tendo a electrónicaevoluído de modo assombroso … como hoje!...
A Válvula Electrónica
Com o fim da Segunda Guerra Mundial, a grande super potência vencedora, os EUA, definiram que aforça aérea era um ramo militar demasiado importante, e que precisava de electrónica adequada paraas missões que se adivinhavam… Mas a electrónica da época estava desenhada, para navios deguerra, tipo “forte e feio”, pesada, e de muito consumo de energia, nada compatível com o embarqueem aviões!...
Assim, foram nomeados cientistas e investigadores,afim de encontrarem um substituto para a válvulaelectrónica…
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 3
Em 1947… um grupo de cientistas, composto por William Shockley, John Bardeen e WalterBrattain, nos laboratórios Bell. Resolveram "voltar no tempo", á época dos antigos rádiosa cristal. Ao contrário dos equipamentos a válvulas, os velhos rádios experimentais acristal eram capazes de detectar as altas frequências, descoberta de Ferdinand Braun, quedizia que cristais podiam transmitir electricidade num único sentido. …Aí, poderia estar umsubstituto para as válvulas...
“Transient resistor”. Transistor
O Transistor de contacto
…O efeito transistor é observado pela primeira vez por Bardeen, Shockley e Brattain noslaboratórios da “Bell”… Devido a um acaso! … em contactos com cristais….
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 4
Plástico
Crystal Triode
O Transistor de contacto
Colector
Plástico
Emissor
Base
Mola
Folha de ouro
GermânioP
N
Base de Metal
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 5
Crystal Triode
Ligação do Emissor
Ligação Colector
Base contacto
Germanium
Guia plástico das ligações
O Transistor de contacto
Germânio tipo -N
Emissor Colector
Base
Shockley decidiu demonstrar que era o verdadeiro cérebro da operação, pelo que, elesecretamente continuou o seu trabalho para construir um tipo diferente de transistorbaseado em junções em vez de contactos pontuais; ele esperava esse tipo de projectoseria mais provável que fosse comercialmente viável. O transistor de contacto, seria frágil,difícil de fabricar, e de fraco desempenho. Shockley também estava insatisfeito comalgumas partes da explicação de como o transistor de contacto trabalhou, e concebeu apossibilidade de injecção de portadores minoritários…
Germânio tipo -P
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 6
Por: William B. Shockley
O Transistor de junção
Germânio tipo-N
Deposição (recombinação)a 550ºC
Tipo-NTipo-P
Emissor
Base
Colector
Tipo-P
Em 1948. John N. Shive, construiu um transistor de contacto, com os contactos em bronzena parte da frente e por detrás da cunha fina de germânio, provando que os buracos(lacunas) se podiam difundir através germânio grosso, e não apenas ao longo da superfície,como se pensava anteriormente. A invenção do Shive despoletou a invenção do transistor dejunção de Shockley .
Poucos meses depois, e depois de muito estudo, ele inventou um transistor inteiramentenovo, muito mais robusto, com uma estrutura de camadas ou "sanduíche". Esta estruturapassou a ser utilizado para a grande maioria de todos os transistores na década de 1960, eevoluiu para o transistor de junção bipolar. O transistor bipolar de junção tinha sidoinventado.
Deposição de Índio
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 7
BJT Transistor de Junção: Laboratórios Bell
O Transistor de junção
Os Laboratórios Bell licenciaram a tecnologia do transistor de junção a váriascompanhias…
O 1º transistor de junção
O 1º Transistor Comercial, foi o Raytheon CK703
1948
O 1º Transistor com sucesso Comercial, foi o Raytheon CK722
1953
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 8
-
-
-
-
- -
-
-
-
-
--
-
-
-
- +
+
++
+
+
++
+
+
+
++
+
++
-
-
-
-
--
-
-
-
-
--
-
-
-
-
+
+
++
+
+
++
+
+
+
++
+
+ +
P N N P
Concentração de lacunas
+ -
O Transistor de junção
Duas junções P-N
O transistor exibe duas junções: - Junção emissora – (entre o Emissor e a Base). - Junção colectora – (entre o Colector e a Base).
Por isso, um transistor é como dois diodos reflectidos entre si.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 9
NP N N P
Se a zona central é muito ampla, o comportamento é o de dois diodos em série: ofuncionamento da primeira união não afecta o da segunda.
O Transistor de junção
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 10
N Base P ColectorP Emissor
O Transistor de junção
Com a diminuição da zona central, o comportamento é diferente: o funcionamento dotransistor...
Isso consegue-se com níveis diferentes de dopagem, sendo o Emissor mais dopado que oColector.
A difusão dos electrões livres através da junção produz duas camadas de depleção. Para cada umadessas camadas de depleção, o potencial da barreira é aproximadamente igual a 0,7v (Si) e 0,3v(Ge).Pelo facto das três regiões terem diferentes níveis de dopagem, as camadas de depleção nãopossuem a mesma largura.
Efeito Transistor
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 11
PP
O terminal central (Base) controla uma fracção da corrente que circula entre os outrosdois terminais (Emissor e Colector)
Base
Emissor Colector
As regiões n e p são diferentes tanto geometricamente quanto em termos deconcentração de dopagem.
Por exemplo, a concentração de dopagem no colector, base e emissor devem ser 1015, 1017
e 1019, respectivamente…
VBE VCB
O Transistor de junção
N
Efeito Transistor
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 12
Fluxos de corrente num transistor NPN operando na Zona Activa
A junção Emissor/Base é directamente polarizada.
A junção Base/Colector é inversamente polarizada.
A espessura da região da Base é tipicamente 150vezes inferior à espessura do dispositivo.
A polarização directa da junção Base/Emissor causa um fluxo de portadores maioritários(electrões) da região n para a região p.
..e de portadores minoritários, lacunas(buracos) da Base para o Emissor….
A soma destes dois fluxos conduz à corrente de emissor IE.
- VBE + -VCB +
Electrões
IEIC
IB
Lacunas
VCE
VCB
VBE IE
IC
IBA maior mobilidade apresentada pelos electrões, faz com
que as características do transistor NPN sejam melhoresque as de um PNP de forma e tamanho equivalente. OsNPN usam-se em maior número de aplicações…
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 13
P
P Base
EmissorColector
VBE VCB
N NFluxos de corrente num transistor npn operando na Zona Activa
O transistor é construído de tal forma que praticamente toda a corrente é constituída pelofluxo de electrões do Emissor para o Colector. A região do Emissor é muito mais fortementedopada do que a região da Base e do Colector.
A região da base é muito fina comparada com a espessura das regiões do emissor e docolector. Os electrões que fluem do Emissor para a Base, atravessam esta região e sãoatraídos para o Colector, antes de haver tempo para a recombinação com as lacunas nabase. A corrente no Colector é da mesma ordem de grandeza da corrente no Emissor.
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 14
Perfis das concentrações de portadores minoritários na Base e no Emissor de um transistornpn operando no modo activo: VBE > 0 e VCB ³ 0.
Base (P) Colector (N)
)(xn
O Campo eléctricoremove os electrõeslivres
Emissor (N+)
)(xp
VBEVCB
I
Fluxos de corrente num transistor NPN operando na Zona Activa
O Transistor Bipolar
Transistor NPN: Perfil da densidade de Portadores
0np
Concentração de Lacunas
)0(np
)0(pnConcentração de Electrões np ideal
np com recombinação
Largura efectiva da Base
W
TBE Vvpp enn
/0)0(
DeplexãoJEB
DeplexãoJBC
ncoletor = 0 JBC directamente polarizada
A densidade de electrões livres decresce na Base. No Colector os electrões livres são removidos pelocampo eléctrico.
Como a Base tem um comprimento bastante inferior ao comprimento de difusão o decréscimo é linear.
A Base (tipo-p) é bastante menos dopada que o emissor (tipo-n) logo a concentração de lacunas ébastante inferior à concentração de electrões livres.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 15
A
ip
N
nn
2
0
W
nDqA
p
nE
)0(
A tensão VBE aumenta com aconcentração de electrões livresno Emissor.
O Emissor (tipo-n) é muito mais dopado que a Base (tipo-p) donde resulta que a corrente é maioritariamente formada por electrões livres, que se deslocam directamente do Emissor para o Colector!
Emissor (n)
Base (p)
Colector (n)
)0(pn
)(xp
VBE VCB
I
E
xd
xndDqAII
p
nEnC
)(
T
BE
v
v
pp enn 0)0(
Fluxos de corrente num transistor NPN operando na Zona Activa
O Transistor Bipolar
Transistor NPN: Corrente maioritária
TBE vv
A
inEC e
WN
nDqAI
/2
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 16
W
(0)nDqA
dx
xdnDqAI
p
nE
p
nEn )(
TBE Vv
SC eII/
A
inE
p
nESNW
nDqA
W
nDqAI
)0(
20
O Transistor Bipolar
Transistor NPN: A corrente de Colector IC
Corrente de difusão de electrões In :
A corrente de Colector IC = In IS: factor de escala de corrente
Observe que a magnitude de IC independe de vCB (contanto que seja 0).
Fluxos de corrente num transistor NPN operando na Zona Activa
O Transistor na zona activa comporta-se como um diodo polarizado directamente comuma corrente de saturação dada por “Is”, mas em que corrente flui num terceiro terminaldenominado de Colector!
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 17
TBE Vv
PD
ipEB e
LN
nDqAi
/2
1
Dp: Difusidade das lacunas no Emissor;
Lp: Comprimento de difusão de lacunas no Emissor;
ND: Concentração de dopantes no Emissor.
tB:Tempo médio que um electrão demora até se
recombinar com uma lacuna.
Qn: carga do portador minoritário (electrão) na Base.
Tem duas componentes:
Transistor NPN: A corrente de Base IB
Fluxos de corrente num transistor NPN operando na Zona Activa
TBE Vv
Ab
iE
b
nB e
N
nWqA
2
1Qi
/2
2
- iB1 Corrente minoritária devido às lacunas que se deslocam da Base para o Emissor.Equação equivalente à corrente de lacunas de uma junção p-n.
-iB2 = Corrente de reposição dos electrões que se recombinam com as lacunas aoatravessarem a Base.
B
nB
Qi
1
WnqAQ pEn )0(2
1
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 18
Constante para um transistor emparticular (no caso ideal).
O Transistor Bipolar
Transistor NPN: A corrente de Base IB (Cont.)
Fluxos de corrente num transistor NPN operando na Zona Activa
TBE VvSCBBB e
IIiiI
/
21
bnPD
A
n
p
D
W
L
W
N
N
D
D
2
11
2
: ganho de corrente com Emissor Comum (usualmente, 100 < < 200).
Para obter um elevado valor de (desejável), a Base deve ser fina (Wpequeno) e levemente dopada e o Emissor fortemente dopado (NA / ND
pequeno).
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 19
BnPD
A
n
p
D
W
L
W
N
N
D
D
2
2
1
1
2
nBn LD
– Beta () aumenta com a diminuição da largura da Base
– Beta aumenta com a concentração de impurezas no Emissor e diminui com a concentração de impurezas na Base.
Combinando as equações anteriores:
O Transistor Bipolar
Transistor NPN: Ganho de corrente do Transistor ()
Fluxos de corrente num transistor NPN operando na Zona Activa
Temos ainda a relação de Einstein:
Deve-se notar que:
Beta é normalmente considerado aproximadamente constante para um dadotransistor apesar de variar com vários factores…
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 20
TBE VvSE e
II
/
O Transistor Bipolar
Transistor NPN: A corrente de Emissor IE
Fluxos de corrente num transistor NPN operando na Zona Activa
TBE Vv
SCBCE eI1
I1
III/
11II EC , ,
: constante para um transistor em particular (idealmente), < 1 (se, por ex., = 100 0,99).
Pequenas variações em a correspondem a grandes variações em .
: ganho de corrente em Base Comum.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 21
O Transistor Bipolar
Transistor NPN:
Relações corrente-tensão do BJT no modo Activo de operação
TBE Vv
SC eII/
TBE VvSCB e
III
/
TBE VvSCE e
III
/
Para o transistor PNP, substituir VBE por VEB.
BEBC
EEBEC
I1III
1
II1III
11
q
kTV micaTensão térT
25 mV á temperatura ambiente
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 22
Fluxos de corrente num transistor PNP operando na Zona Activa
+ VEB - +VBC-
Lacunas
IEIC
IB
Electrões
O transistor PNP opera de forma semelhante aodescrito para o transistor NPN.
A tensão VEB polariza directamente a junção EB. Atensão VBC polariza inversamente a junção CB.
No transistor PNP as correntes são sobretudo devidas a correntes de lacunas ou buracos…
As correntes de difusão de electrões livres da Base para o Emissor são muito pequenas emcomparação com as correntes de lacunas em sentido contrário.
A região do Emissor, tal como no transistor NPN, é muito maisfortemente dopada do que a região da Base. A espessura daBase é muita pequena em comparação com as dimensões dodispositivo.
IE
IB
ICVCB
VCE
VBE
PNP
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 23
Fluxos de corrente num transistor PNP operando na Zona Activa
+ VEB - +VBC-
Lacunas
IEIC
IB
Electrões
O transistor PNP opera de forma semelhante aodescrito para o transistor NPN.
A tensão VEB polariza directamente a junção EB. Atensão VBC polariza inversamente a junção CB.
No transistor PNP as correntes são sobretudo devidas a correntes de lacunas ou buracos…
As correntes de difusão de electrões livres da Base para o Emissor são muito pequenas emcomparação com as correntes de lacunas em sentido contrário.
A região do Emissor, tal como no transistor NPN, é muito maisfortemente dopada do que a região da Base. A espessura daBase é muita pequena em comparação com as dimensões dodispositivo.
IE
IB
ICVCB
VCE
VBE
PNP
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 24
O terminal central (Base) controla uma fracção da corrente que circula entre os outrosdois terminais (Emissor e Colector).
Base
Emissor Colector
Fluxos de corrente num transistor PNP operando na Zona Activa
O Transistor Bipolar
N PP
VBE VCB
No transistor PNP as correntes são sobretudo devidas a correntes de lacunas ou buracos…
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 25
-
ColectorEmissor
Base
Base pouco dopada Emissor mais dopado que o Colector.
e-
ColectorEmissor
Base
N P N
P N P
I
O Transistor Bipolar
Alguma semelhança com as válvulas é pura coincidência(?)!....
- - -
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 26
Equivalente hidráulico do transistor
Base
Colector
Emissor
1 2
3
1. Base2. Emissor3. Colector
O Transistor Bipolar
Funcionamento do Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 27
h1 - h2
Caudal Abertura
h1
h2
Equivalente hidráulico do transistor
O Transistor Bipolar
Funcionamento do Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 28
O Transistor Bipolar
Funcionamento do Transistor Bipolar
http://www.learnabout-electronics.org/Downloads/Fig316dl_bjt_operation.swf
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 29
E C
B
N-
P
P+
Transistor NPN planar de difusão dupla
N+
N+
N
P-
EB
C
SiO2
Transistor PNP
O Transistor Bipolar
Forma real dos transistores Bipolares
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 30
O Transistor Bipolar
Forma real dos transistores Bipolares
TO-32N3055 (NPN)BU326 (NPN)
TO-18
TO-220
MJE13008 (NPN)IRF840 (MOSFET, N)BDX53C (Darlington)
EncapsuladoTO-92
BC548 (NPN)BC558 (PNP)
BD135 (NPN)BD136 (PNP)
TO-126
TO-5
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 31
BIPOLARES
NPN
PNP
EFEITO DE CAMPO
UNIÃO
METAL-ÓXIDO-SEMICONDUTOR
CANAL N (JFET-N)
CANAL P (JFET-P)
CANAL N (MOSFET-N)
CANAL P (MOSFET-P)
TRANSISTORES
* FET : Field Effect Transistor
Transistores
Tipo de Transistores
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 32
Bipolar: dois tipos de cargas, electrões e lacunas(buracos), envolvidos nos fluxos de corrente…
Junções: duas junções pn. Junção Base/Emissor ejunção Base/Colector….
Tipos: – NPN e PNP.
Terminais:– Base, Emissor e Colector…
Símbolos: NPN PNP
O Transistor Bipolar
Base
Emissor
Colector Emissor
Base
Colector
O transistor bipolar consiste de junções pn, construídas de uma maneira especial e ligadasem anti série. A corrente é produzida, quer por electrões, quer por lacunas, e daí adesignação de bipolar.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 33
Os sentidos de referência adoptados para tensões e correntes aos terminais do transistorsão escolhidos de tal modo que, para o funcionamento na zona activa directa, ascorrentes são positivas.
O funcionamento dos dois tipos de transistores é muito semelhante; quando sem passa deum para outro, todos os resultados se mantêm se se trocarem os sentidos das tensões edas correntes
Convenções
VCE
VCB
VBE IE
IC
IB
NPN
IE
IB
ICVBC
VEC
VEB
PNP
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 34
Modos de operação: Transistor NPN
VCE
VCB
VBE IE
ICIB
Corte
VBE 0,7 / IB= 0 / IC= 0
IC 0, IE 0 e IB 0
Zona Activa
VBE 0,7 / VCE 0,3 / IC 0 / IB 0
VCB > 0 -IC ·(-IE ) IC ·IB
Saturação
VCE 0,3 / IC= Icmáx
VCB < 0 (VCE 0)
IC VCC/RC
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
RB
RC
IE
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 35
Na Região Activa: junção EB com polarização directa, BC com polarização inversa.Aplicação: - Amplificação.
Na Região de corte: As duas junções estão polarizadas inversamente: circuito aberto. Na Região de saturação: As duas junções estão polarizadas directamente: curto-circuito.
IB = 0 µA
IB = 40 µA
IB = 20 µA
Região de saturação
Região activa
Região de corte
I C(
mA
)
VCE (V)
IB = 80 µA
IB = 60 µA
„ Ruptura
RC
RB
VBE
VCCVBB VCE
O Transistor Bipolar
Curvas características da Montagem Emissor Comum (EC)
Modos de operação: Transistor NPN
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 36
ModosJunção
EBJunção
CBAplicação
Corte Inversa Inversa Aplicações de comutação em
circuitos digitaisSaturação Directa Directa
Activo Directa Inversa Amplificador
Inversa Activo
Inversa DirectaDegradação do
desempenho
Modos de operação
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 37
Características básicas
O Transistor Bipolar
Muito mais útil do que dois dispositivos terminais (tais como diodos).
A tensão entre os dois terminais pode controlar a corrente que flui no terceiro terminal.Pode-se dizer que a corrente do colector pode ser controlada pela tensão através dajunção EB.
A aplicação mais usual é como amplificador.
Representação Gráfica das Características do transistor
As Curvas características referem-se a uma determinada configuração.
As Curva de entrada são muito semelhantes ás do diodo, apenas as curvas de saídaserão sempre mostradas aqui.
As Três regiões são mostrados nas curvas de saída.
O Efeito de Early é mostrado nas curvas de saída na configuração EC.
O BJT como amplificador
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 38
NPN
Ib=20uA
Ib=60uA
O Transistor Bipolar
Zona Activa
ENTRADA
Diodo polarizado directamente
SaídaiC=iB
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador iC
+
VBE _
VCE
+
_
Configuração de Emissor Comum (EC): Curvas características
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 39
Configuração de Emissor Comum (EC): Efeito de Early
-VA VCE
VBE…
VBE…
VBE…
VBE…
IC
VCE
VBE
NPN
++
_ _
IC
Região Activa
Região Saturação
No Modo activo de operação BJTs mostram uma certa dependência da corrente deColector com a tensão de Colector.
As suas características IC – VCE não são linhas rectas horizontais.
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Quase horizontal, mas com ligeira inclinação positiva (efeito de Early).
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 40
Relação linear de IC com VCE : assumindo que IS permanece constante a corrente deColector é modificada pelo termo :
A
CEVV
SCV
V1eII TBE
/
Inclinação não-nula das linhas rectas IC – VCE : a impedância de saída do Colector não éinfinita.
-VA VCE
VBE…
VBE…
VBE…
VBE…
IC
Região Activa
Região Saturação VBE > 0.
VCE pequeno (VC < VB) JCB:polarização directa região desaturação.
VCE VCB < 0 JCB: pol. inversa espessura da região dedeplexão na JCB WEFETIVA DA BASE
IS IC : Efeito Early.
Configuração de Emissor Comum (EC): Efeito de Early
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 41
-VA VCE
VBE…
VBE…
VBE…
VBE…
IC
Região Activa
Região Saturação A Inclinação não-nula das linhas rectas IC – VCE que
a impedância de saída do colector é finita e definidapor:
1
constantevCE
Co
BE
Δv
Δir
Da equação anterior deduz-se que: ro VA / IC
IC : o nível da corrente correspondendo ao valor constante de VBE próximo à fronteirada região activa.
Esta dependência de iC com vCE no projecto e análise do circuito de polarizaçãonormalmente não é considerada; no entanto, a resistência de saída finita ro pode ter umefeito significativo no ganho de amplificadores a transistores.
Configuração de Emissor Comum (EC): Efeito de Early
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 42
VCE
IC
-VA
Configuração de Emissor Comum (EC): Efeito de Early
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
IB
Verde = IC Ideal .
Encarnado = IC Actual (IC’).
VCE
VA
IC’ = IC + 1
Kristin Ackerson, Virginia Tech EESpring 2002
Early Effect Example
Given: The common-emitter circuit below with IB = 25A, VCC = 15V, = 100 and VA = 80.Find: a) The ideal collector current
b) The actual collector current
Circuit Diagram
+_VCC
IC
VCE
IB
= 100 = IC/IB
a)IC = 100 * IB = 100 * (25x10-6 A)IC = 2.5 mA
b) IC’ = IC VCE + 1 = 2.5x10-3 15 + 1 = 2.96 mA
VA 80
IC’ = 2.96 mA
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 44
Configuração de Emissor Comum (EC): Efeito de Early
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Circuit Diagram
+_VCC
IC
VCE
IB
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 45
Configuração de Emissor Comum (EC): Efeito de Early
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Curvas na região activa são mais inclinadas do que aqueles na configuração BC
Tensão de Early.
Largura efectiva da Base com modulação.
(Menor largura de Base, menor valor da tensão de Early, forte efeito demodulação por largura de base, forte dependência linear de iC em vCE.
Modelo de Circuito Equivalente DC C
E
TBE Vv
SeI/
vBEDE
B
(a) iC
iE
iB
(ISE =IS/F)
O modelo da figura (a), representa o BJT como uma fonte decorrente controlada por tensão, sendo vBE a tensão decontrolo.
Modelo de circuito equivalente do BJT npn para grandessinais a operar no modo activo.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 46
Configuração de Emissor Comum (EC): Modelo de Circuito Equivalente DC
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
C
E
EFi
vBEDE
B
(b) iC
iE
iB
(ISE =IS/F)
Em b) o BJT é representado por uma fonte de correntecontrolada por corrente (amplificador de corrente).
Análise DC
Verificar o valor de VCE ou VCB, se:
i. VC>VB (ou VCE>0.2V), a suposição está correcta.
ii. VC<VB (ou VCE<0.2V), a suposição está incorrecta. Significa que o BJT está
operando na região da saturação. Assim, vamos supor que VCE=VCE(sat) para obter
IC. Aqui, o ganho de corrente de emissor comum, é definido como forçado=IC/IB,vamos encontrar forçado< .
Usando o modelo simples de queda de tensão constante,
assume-se que vBE0,7V , independentemente do valorexacto das correntes.
Supondo que o dispositivo opera na região activa, pode-se aplicar arelação entre IB, IC, IE, para determinar a tensão VCE ou VCB.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 47
Configuração de Emissor Comum (EC): Análise DC
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Circuito Conceptual
• (a) circuito conceptual para ilustrar o funcionamento dotransistor como um amplificador.
• (b) O circuito de (a) com o vbe, fonte de sinal, eliminado paraanálise DC (polarização).
• Com as fontes de corrente contínua(VBE e VCC) eliminados (curto-circuito), portanto, apenas oscomponentes de sinal estãopresentes.
Note-se que esta é uma representação dofuncionamento do BJT com sinais, e nãoum circuito amplificador real.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 48
T
CQm V
Ig
Configuração de Emissor Comum (EC): Modelos de pequenos sinais
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
• Transcondutância
• Resistência de Entrada na Base
• Resistência de Entrada no Emissor
• Modelos - Híbrido e Modelo T
Transcondutância
iC
vBE
IC
Q
Declive =gm
VBE
vbe
t
t
iC
• Expressão:
• Significado físico:
gm é a inclinação da curva iC-vBE para a polarização
no ponto Q .
• À temperatura ambiente, 40msgm
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 49
Configuração de Emissor Comum (EC): Modelos de pequenos sinais – Modelo -Híbrido
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
B
E
r
gm.vbe
ib
ic
C
vbe
+
_
ie
(a)
O circuito equivalente em (a) representa o BJT comouma fonte de corrente controlada por tensão (umamplificador de transcondutância).
gm= IC/VT
r= / gm
B
E
r.ib
ib
ic
C
vbe
+
_
ie
(b)
O circuito equivalente em (b) representa o BJT como umafonte de corrente controlada por corrente (um amplificadorde corrente).
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 50
Configuração de Emissor Comum (EC): Modelos de pequenos sinais – Modelo T
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
C
E
vbe
B
(a) ic
ie
ib
re
gm.vbegm= IC/VT
re= VT/IE= /gm
C
E
vbe
B
(b) ic
ie
ib
re
.ie
Estes modelos apresentam explicitamente a resistência Emissor re ao invés do rresistência de Base, em destaque no modelo -híbrido.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 51
Configuração de Emissor Comum (EC): Modelos de pequenos sinais
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
B
E
r
gm.vbe
ib
ic
C
vbe
+
_
ie
(a) Resistência de entrada pela Base:
mBQ
T
b
be
gI
V
i
vr
C
E
vbe
B
(b) ic
ie
ib
re
gm.vbe
Resistência do Emissor:
mEQ
T
e
bee
gI
V
i
vr
Relação entre as duas resistências:
err )1(
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 52
Configuração de Emissor Comum (EC): Modelos de pequenos sinais- Ainda o Modelo - Híbrido
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
B
E
r gm.v
C
v
+
_
(a)
ro
B
E
r .ib
C
(b)
ro
ib
Expressão para a resistência de saída.
'
1
. C
A
constvCE
Co
I
V
v
ir
BE
Resistência de saída representa o efeito de Early (ou modulação de largura da Base).
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 53
Configuração de Emissor Comum (EC): Modelos de pequenos sinais- Modelo para PNPs
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Os Modelos derivados do transistor tipo npn, aplicam-se igualmente aostransistores pnp sem alterações de polaridades. Como o sinal pequeno nãopode alterar as condições de polarização, os modelos de pequenos sinais sãoindependentes das polaridades.
Não importa qual a configuração, o modelo é único. Qual a ser seleccionado, édeterminado apenas pela análise mais simples.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 54
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Corrente de Base: IBiB
vBE
QIB
VBE
Declive =1
RB
VBB
Construção gráfica para a determinação da corrente DC da Base no circuito.
Recta de carga cruza-se com a curva característica de entrada no ponto Q.
Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 55
IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
VCC
C
CC
R
V
RC
RB
VBE VCCVBB
VCE
IC
IB
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Corrente de Base: IB
Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 56
O Transistor Bipolar
Corrente de Base IB
Apesar de ser pouco prático para a análise e projecto de circuitos comtransistores, a análise gráfica é, no entanto, útil para compreender ofuncionamento de um circuito amplificador. Façamos por isso a análisegráfica do funcionamento do circuito da figura seguinte.
O circuito da base impõe que:
ou seja:
A corrente de polarização da Base, IB e a tensão de
polarização, VBE, correspondentes a vi=0, são dadas pelascoordenadas do ponto de intersecção dessa recta com a
curva característica iB - vBE como mostra a figura.
O que representa, para um dado valor de vi , uma relação linear entre vBE e iB.
Esta relação pode ser representada por uma recta de
inclinação - 1/RB, como mostra a figura seguinte, para vi=0.
vBE
iB
IB
VBE VBB
- 1/RB
vBE
iC
vCEiB
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 57
VCC
1C
CC
R
V
2C
CC
R
V
3C
CC
R
V
RC
RB
VBE VCC
VBB VCE
IC
IB
IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
O Transistor Bipolar
Ponto de funcionamento: RC
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 58
RC
RB
VBEVCC
VBB VCE
IC
IB
IC
VCE
IB1
IB2
IB4
IB3
VCC3
C
CC
R
V 3
C
CC
R
V 2
C
CC
R
V 1
VCC2VCC1
Ponto de funcionamento: VCC
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 59
VCE = -IC RC+ VCC
Q
IC
VCEO
VCE IC RC
VCC
C
CC
R
V
IB1
IB2
IB4
IB3
RC
RB
VBE VCC
VBB VCE
IC
IB
C
CECCC
R
VVI
O Transistor Bipolar
Recta de Carga e ponto de funcionamento
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 60
V BB (V) V CE (V) Ic (mA) IB (A)
0,7 10 0 0
0,8 9,375 0,625 6,25
0,9 8,75 1,25 12,5
1 8,125 1,875 18,75
1,2 6,875 3,125 31,25
1,4 5,625 4,375 43,75
1,6 4,375 5,625 56,25
1,8 3,125 6,875 68,75
2 1,875 8,125 81,25
2,2 0,625 9,375 93,75
2,3 0 10 100
VBE = -IB RB+ VBB
IC
VCEVCC = 10 V
C
CC
R
V
IB1
IB2
IB4
IB3
VBE 0,7 V
VCE = VCC - IC RC = 10 - 8,125 = 1,875 V
Ic = bIB = 8,125 mA
Q
Q
Q
Saturação
Corte
RC =1 kW
RB=16 kW
VBE VCC=10 V
VBB = 2 VVCE
= 100
IC
IB
Reg
ião
Act
iva
O Transistor Bipolar
Recta de Carga
A81,2516000
0,72
R
VVI
B
BEBBB
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 61
V BE 0,7 V VCE (V) Ic (mA)
0 16,33 8,333 7,824
980W 16 0,00
170kW
100
16 V
14 V
78,235 IB 78,24 µA 54,7647 PEB 54,76 µW
7,824 Ic 7,82 mA 65,193 PCE 65,19 mW
7,902 IE 7,90 mA PT 65,25 mW
8,333 VCE 8,33 V
7,633 VCB 7,63 V
VCC
VBB
RB
RC
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10 15 20
I c(m
A)
Vcc (V)
E
C
B
78,24 µA 7,82 mA
7,90 mA
8,33 V
O Transistor Bipolar
Recta de Carga
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 62
iC
vCE
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Corrente de Colector
IB
iB = ….
iB =iB2
iB =iB1 ….
iB = ….
Q
iB = ….
IC
VCE
Declive =1
RC
Construção gráfica para determinar a corrente de Colector de IC e a tensão Colector-Emissor VCE, do circuito.
Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 63
vCE
iC
0
vBE
iC
vCEiBO circuito de Colector impõe que: vCE=VCC - iC.RC
ou seja:C
CE
C
CCC
R
v
R
Vi
O que representa, uma relação linear entre vCE e iC.
Esta relação pode ser representada por uma recta, como se mostra na figura. Como RC pode ser
considerada a carga do amplificador, a recta de inclinação -1/RC chama-se de recta de carga.
IC
VCE VCC
iB = IB
iB = ….
iB = ….
iB = ….
iB = ….
Q
O ponto de polarização DC, ponto quiescente Q, é o
ponto de intersecção da recta de carga com a curva iCvCE, que correspondente á corrente de Base IB. As
coordenadas do ponto Q, são as componentes
contínuas da corrente de Colector IC e da tensão
Colector-Emissor VCE.
Note-se que, para que o transistor funcione como amplificador, o ponto Q deve estar na região activae, além disso, deve estar localizado de modo a permitir uma excursão razoável do sinal de saída,
quando se aplica um sinal de entrada vi.
- 1/RC
O Transistor Bipolar
Corrente de Colector IC
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 64
vBE
iB
0
IB
iB1
iB2
Q
- 1/RB
Linhas instantâneas de Carga
Segmento quase linear
iB
t
tt
VBB
vi
VBE
vbe
Se a amplitude de vi, for suficientemente pequena para que o ponto de funcionamento instantâneo
esteja limitado a um segmento quase linear da curva iB-vBE, então os sinais resultantes ib e vbe serãotriangulares, como mostra a figura. Assim, a construção gráfica da figura pode ser usada para
determinar o valor instantâneo de iB correspondente a cada valor de vi.
Como exemplo, a figura seguinte mostra a situação
quando se aplica um sinal vi á entrada com umaforma de onda triangular, sobreposto a uma tensãocontínua VBB.
Para cada valor instantâneo de VBB + vi(t), podedesenhar-se uma recta de inclinação -1/RB. Esta “recta
de carga instantânea” intersecta a curva iB - vBE numponto cujas coordenadas nos dão os valores
instantâneos de iB e de vBE correspondentes ao valor
particular de VBB + vi(t).
A figura mostra as rectas correspondentes a vi=0 e vi nos seus valores de pico positivo enegativo.
O Transistor Bipolar
Pequenos sinais
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 65
vCE
iC
0
IC
VCC
IB
iB = ….
iB =iB2
iB =iB1 ….
iB = ….
Q
- 1/RC
iC1
iC2
t
VCE
t
vce
ic
Por exemplo, quando vi está no seu pico positivo, IB = iB2, o ponto de operação instantâneono plano iC-vCE estará na intersecção da recta de carga com a curva correspondente a iB =
iB2.
A figura mostra que o ponto defuncionamento se deslocará ao longo darecta de carga de inclinação -1/RC á medida
que iB for assumindo os valores instantâneosdeterminados pela figura da página anterior.
Deste modo, podemos determinar as formas de onda de iC e de vCE e, portanto, das
componentes do sinal ic e vce, conforme mostrado na figura.
O Transistor Bipolar
Pequenos sinais
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 66
vCE
iC
0
IB
iB = ….
iB =iB2
iB =iB1 ….
iB = ….
QB
VCEQB
QA
VCEQA
Recta de Carga
VCC
O Transistor Bipolar
Ponto de funcionamento e excursão do sinal
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
A recta de carga em QA com um VCE
correspondente, que está muito perto doVCC e, portanto, limita o balanço positivoda vCE.
No outro extremo, a recta de carga emQB, resulta num ponto de operaçãomuito perto da região de saturação,limitando assim o balanço negativo davCE.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 67
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Polarização
Polarização com Voltagem Polarização Clássica com elementos discretos
Fonte de alimentação única
Duas fontes de alimentação Com resistência de feedback
Polarização com fonte de corrente
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 68
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Polarização com elementos discretos e fonte única
Fixando VBE Fixando IB
Ambos resultam em grandes variações em IC e, portanto, em VCE e, portanto, sãoconsiderados como “maus“, logo não são recomendados.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 69
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Polarização com elementos discretos e fonte única
Circuito com o divisor de tensão alimentando a Base, substituído com o seu equivalenteThevenin.
A estabilidade da corrente DC do Emissor é obtida considerando a acção de feedbacknegativo fornecido pela RE.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 70
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Polarização com elementos discretos e fonte única
Duas restrições:
1
BE
BEBB
RR
VV
Regras de ouro:
),(
31
31
EERR1
CC31
CB
CCCC
CCBB
I0.1III
VV
VRI
VV
B2
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 71
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Polarização com duas fontes de alimentação
Resistência RB pode ser eliminada na configuração BaseComum.
A resistência RB é apenas necessária se o sinal é para seracoplado capacitivamente à Base.
As duas restrições devem aplicar-se.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 72
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Polarização com resistência de feedback
Resistência RB fornece feedback negativo.
IE é independente de e é fornecida por: )( 1RR BC
O valor de RB determina a excursão do sinal permitida no Colector.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 73
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Polarização com fonte de Corrente
Q1 e Q2 devem de ser muito idênticos e terem elevado.
Curto entre os terminais de Colector e Base de Q1.
A Fonte de corrente não é ideal, devido à resistência de saída finita de Q2.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 74
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorAplicação do Modelo e pequenos sinais
a. Determinar o ponto de funcionamento DC (Q) do BJT e, em particular, acorrente de Colector DC - IC (ICQ).
b. Calcular os valores dos parâmetros do modelo de pequeno sinal, tal comogm=IC/VT, r=/gm=VT/IB, re=/gm=VT/IE.
c. Desenhe percurso do circuito AC.
d. Substitua o BJT com um de seus modelos de pequeno sinal. O modeloseleccionado deve ser o mais conveniente do que os outros, na análise docircuito.
e. Determinar os valores necessários.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 75
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Condições DC
As condições de polarização DC obtêm-se considerando vbe=0IC
VCE
VBE IE
IB
NPN
RcVCC
IC=IS exp(vBE/VT)
IB=IC /
IE=IC /
VCE= VCC - RCIC
Sobreposição de um sinal AC à tensão DC.Condições DC; vbe=0
Se for aplicada uma tensão AC de valor vbe, a tensão vBE, valor total instantâneo, é: vBE=VBE+vbe
Da mesma forma tem- se para a corrente iC:
iC=IS exp(vBE/VT)=IS exp[ (VBE+vbe)/VT ]
IC
VCE
VBE IE
IB
RcVCC
Condições AC; vbe0
vbe
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 76
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Amplificadores Básicos de um único andar
• Características dos parâmetros
• Estrutura básica
• Configuração
Amplificador configuração Emissor comum (EC).
Emissor directamente ligado à massa.
Emissor liga à massa através da resistência Re.
Amplificador configuração Base Comum (BC).
Amplificador configuração Colector Comum (CC) ou Seguidor de Emissor (SE).
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 77
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Amplificadores Básicos de um único andar
Características dos parâmetros do amplificador
Este é o circuito de um amplificador de duas portas.
Fonte de sinal de tensão.
O sinal de saída é obtido a partir da resistência de carga RL.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 78
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Amplificadores Básicos de um único andar
Características dos parâmetros do amplificador: Definições
Resistência de entrada sem carga:
LRi
ii
i
vR
Resistência de entrada:i
iin
i
vR
Ganho de tensão com circuito aberto:
LRi
ovo
v
vA
Ganho de tensão:
i
ov
v
vA
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 79
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Amplificadores Básicos de um único andar
Características dos parâmetros do amplificador: Definições
Ganho de corrente em curto-circuito:0
LRi
ois
i
iA
Ganho de corrente:i
oi
i
iA
Transcondutância em curto-circuito:
0
LRi
om
v
iG
Ganho de tensão global em circuito aberto:
LRsig
vov
vG 0
Ganho geral de tensão:sig
vv
vG 0
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 80
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Amplificadores Básicos de um único andar
Características dos parâmetros do amplificador: Definições
Resistência de saída própria do amplificador:
0
ivx
xo
i
vR
Resistência de saída:
0
sigvx
xout
i
vR
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 81
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Amplificadores Básicos de um único andar
Características dos parâmetros do amplificador: Definições
Amplificador de tensão
Amplificador de tensão
Amplificador de Transcondutância
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 82
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Amplificadores Básicos de um único andar
Características dos parâmetros do amplificador: Relações
Coeficiente divisor de tensão
sigin
in
sig
i
RR
R
v
v
oL
Lvov
RR
RAA
omvo RGA
oL
Lvo
sigin
inv
RR
RA
RR
RG
vo
sigi
ivo A
RR
RG
outL
Lvov
RR
RGG
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 83
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Estrutura Básica
Circuito com estrutura básica, utilizado para realizar configurações de um andaramplificador com BJTs, usando elementos discretos.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 84
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Amplificador
Circuito a nível de pequenos sinais.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 85
O Transistor Bipolar
Configuração Emissor Comum (EC)
Circuito Equivalente Modelo -
C
vgmv r
B
E
r0 RCRBRL vo
+
-
+-
RSig
vsig
O sinal de saída vo é dado por : vo = - (gm.v )(RC //ro //Ro )
O Ganho de tensão entre a Base e o Colector é :
Combinando as duas equações, temos que o Ganho de tensão do circuito Av, é :
O BJT como amplificador
Rin
+
-vi
R0ut
iiio
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 86
O Transistor Bipolar
Configuração Emissor Comum (EC)
Circuito Equivalente Modelo -
O BJT como amplificador
C
vgmv r
B
E
r0 RCR0ut
RB
Rin
vi
+
-RL
io
vo
+
-
ii
+-
RSig
vsig
Resistência de entrada Rin: rRin
Resistência de saída ROut: Cout RR
Ganho de Corrente em curto-circuito Ais: isA
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 87
O Transistor Bipolar
Configuração Emissor Comum (EC)
O BJT como amplificador
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 88
O Transistor Bipolar
Configuração Emissor Comum (EC)
O BJT como amplificador
Resumo das Características
Elevado ganho em Tensão,
Amplificador inversor,
Elevado ganho de corrente.
Resistência de entrada relativamente baixa.
Resistência de saída relativamente alta
A resposta de frequência é bastante pobre.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 89
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Com resistência de Emissor Re
Circuito a nível de pequenos sinais.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 90
Circuito Equivalente Modelo -
C
ei.B
ie
re
E
RC
RB
RL
+-
RSig
vsig
ic
ReRib
v-
+
Rin
+
-vi
ie=vi
Re+ re
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Emissor Comum (EC): Com resistência de Emissor Re
R0ut
io
vo
+
-
ii
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 91
O Transistor Bipolar
Circuito Equivalente Modelo -
O BJT como amplificador
Resistência de entrada Rin:
Ganho de Tensão Av:
Cout RR
Ganho de Corrente em curto-circuito Ais: isA
C
ei.B
ie
re
E
RC
RB
RL
+-
RSig
vsig
ic
ReRib
v-
+
Rin
+
-vi
ie=vi
Re+ re
R0ut
io
vo
+
-
ii
))(1//( eeBin RrRR
ee
LCv
Rr
RRA
//
Ganho Total Gv:
))(1(
)//(
eesig
LCv
RrR
RRG
Resistência de Saída ROut:
Configuração de Emissor Comum (EC): Com resistência de Emissor Re
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 92
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Resumo das Características
A Resistência de entrada Rin é aumentada de um factor de (1+gmRe),
O Ganho de Tensão da Base para o Colector, é reduzido de um factor de (1+gmRe),
Para a mesma distorção não linear, o sinal vi , pode ser aumentado de um factor de
(1+gmRe),
O Ganho global é menos dependente de .
A redução do Ganho, é compensada pelas melhorias na performance.
Resistência RE, introduz um feedback negativo no circuito.
A resposta a altas frequências é significativamente melhorada.
Configuração de Emissor Comum (EC): Com resistência de Emissor Re
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 93
0 vCB
iC
O Transistor Bipolar
Configuração de Base Comum (BC) : Curvas de saída
iC
iE
vCB
iE =0
BVCBOVCB
iC
Escala expandida
Região de
SaturaçãoRegião Activa
0.4- 0.5V
IE1
IE2
IE=IE1
IE=IE2
O BJT como amplificador
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 94
O Transistor Bipolar
Configuração de Base Comum (BC) : Curvas de saídaO BJT como amplificador
Região Activa
A junção BE está polarizada directamente e a junção BC está polarizadainversamente
Igual distância entre curvas de saída vizinhas;
Quase horizontal, mas com ligeira inclinação positiva.
Região de Saturação
A junção BE não está somente directamente polarizada, mas também ligada“ON”;
A Corrente de Colector é corrente de difusão não de deriva.
A voltagem de ligação da junção BCT, é menor do que a da junção BE.
Região de Rotura
A junção BE está polarizada directamente e a junção BC está polarizadainversamente.
Grande valor de tensão dá origem á ruptura da junção BC;
Corrente de Colector aumenta dramaticamente.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 95
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Base Comum (BC):
Circuito a nível de pequenos sinais.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 96
Circuito Equivalente Modelo -
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
RCRL
+-
RSig
vsig
R0ut
io
vo
+
-
ii
C
ei.B
ie
reE
Rin
+
-vi
Configuração de Base Comum (BC):
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 97
Circuito Equivalente Modelo -
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
io
RCRL
+-
RSig
vsig
R0ut
vo
+
-
ii
C
ei.B
ie
reE
Rin
+
-vi
Configuração de Base Comum (BC):
Resistência de entrada Rin:
ein rR
Ganho de Tensão Av:
)//( LCmv RRgA
Ganho Total Gv:esig
LCv
rR
RRG
)//(
Resistência de Saída ROut: Cout RR
Ganho de Corrente em curto-circuito Ais: isA
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 98
O Transistor Bipolar
Configuração Base Comum (BC)
Configurações de amplificadores com BJTs
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 99
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Resumo das Características
A Resistência de entrada Rin muito baixa.
A Resistência de saída Rout elevada.
Ganho de Corrente em curto-circuito 1 ().
“Buffer” de corrente.
O Ganho de Tensão elevado.
Amplificador não inversor.
A resposta a altas frequências é excelente.
Configuração de Base Comum (BC):
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 100
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Colector Comum (CC) ou Seguidor de Emissor (SE):
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 101
Circuito Equivalente Modelo -
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
C
ei.B
ie
reE
ro
RL
+-
RSig
vsig
R0ut
Rin
RB
vo
+
-
Configuração de Colector Comum (CC) ou Seguidor de Emissor (SE):
vb
+
-
ib =(1-)ie=ie +1
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 102
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificadorConfiguração de Colector Comum (CC) ou Seguidor de Emissor (SE):
C
ei.B
ie
re E
ro
RL
+-
RSig
vsig
R0ut
Rin
RB
vo
+
-
vb
+
-
ib =(1-)ie=ie +1
Resistência de entrada Rin:
)//)(1( Loeib RrrR
Ganho de Tensão Av:
)//)(1(
)//)(1(
Loe
Lov
Rrr
RrA
Ganho Total Gv:)//)(1(
)//)(1(
//
//
Loe
Lo
sigibB
ibBv
Rrr
Rr
RRR
RRG
Resistência de Saída ROut:
1
// sigB
eout
RRrR
Ganho de Corrente em curto-circuito Ais: )1( isA
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 103
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Resumo das Características
A Resistência de entrada Rin alta.
A Resistência de saída Rout baixa.
Ganho de Tensão 1 .
Ganho de Corrente elevado.
O último ou andar de saída, de amplificadores em cascata.
A resposta em frequência é excelente.
Configuração de Colector Comum (CC) ou Seguidor de Emissor (SE):
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 104
ENTRADA SAÍDA
*
EMISSOREMISSOR
COLECTOR
BASE
VBE VCE
*
EMISSOR COLECTOR
BASE BASE
VEB VCB
* EMISSOR
COLECTORCOLECTOR
BASE VBC VEC
O Transistor Bipolar
Montagens Básicas: Sinais
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 105
O Transistor Bipolar
Montagens Básicas
Base Comum
Ganho de tensão elevado.Ganho de corrente menor que 1.Ganho de potência intermediário.Impedância de entrada baixa.Impedância de saída alta.
Colector Comum
Ganho de tensão menor que 1.Ganho de corrente elevado.Ganho de potência intermediário.Impedância de entrada alta.Impedância de saída baixa.
Emissor Comum
Ganho de tensão elevado.Ganho de corrente elevado.Ganho de potência elevado.Impedância de entrada baixa.Impedância de saída alta.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 106
EMISSOR
COMUM
EMISSOR
COMUM COM
RE
BASE
COMUM
SEGUIDOR DE
EMISSOR
Ri
Ro
AV= Vo /Vs
Ai= io / iS
rrRB LoEeB RrRrR 1
1
BS
eE
RRrR
SL
L
RrR
R
1
1
L
LE
R
RR 1
emB RgrR 1
CR
ee
LC
Rr
RR
L
LC
R
RR
CR
er
Se
LC
Rr
RR
L
LC
R
RR
CoC RrR
S
oLC
Rr
rRR
L
oLC
R
rRR
Tabela de Resumo das configurações amplificadoras
O Transistor Bipolar
Montagens Básicas: Sinais
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 107
EMISSOR
COMUM
EMISSOR
COMUM COM
RE=170W
BASE
COMUM
SEGUIDOR DE
EMISSOR
Ri (KW) 2.6 16.7 0.03 83
Ro (KW) 9.2 9.7 10 0.118
AV=Vo/Vs -36.2 -15.6 0.5 0.89
Ai=io/iS -46.7 -41.7 0.5 8.3
Tabela de Resumo das configurações amplificadoras : Valores Típicos
O Transistor Bipolar
Montagens Básicas: Sinais
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 108
O Transistor Bipolar
O BJT como amplificador
Resumo e Comparações
A configuração Emissor Comum (EC) é o mais adequada para a realização doganho do amplificador.
Incluindo Re traz melhorias no desempenho à custa de redução de ganho.
A configuração Base Comum (BC) tem uma aplicação típica no amplificador.
Resposta de alta frequência muito superior.
A configuração de Seguidor de Emissor (SE) ou Colector Comum (CC) pode serutilizada como um “Buffer” de tensão no último andar de amplificadores emcascata.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 109
1) hie: Impedância de entrada (Vin / Iin), quando Vout = 0 (em curto).
2) hre: Relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída (Vin / Vout), forçando Iin a
zero (circuito aberto).
3) hfe: Ganho de corrente (Iout / Iin) com Vout = 0 (em curto).
4) hoe: Condutância de saída (Iout / Vout) com Iin = 0 (circuito aberto).Observação: correntes e tensões AC. Modelo linear variações pequenas em torno do ponto de
operação.
B
E
hoe
hie
hre vce h fe ib
ib ic
C
E
+_
vbe
+
_
vce
+
_
O Transistor Bipolar
Outros modelos de pequenos sinaisModelos equivalentes – Modelo Híbrido (h) – Emissor Comum
Modelo equivalente da entrada/saída do transistor.
O modelo equivalente de pequeno sinal é matematicamente válido apenas para sinais depequena amplitude.
Os parâmetros h são fornecidos pelo fabricante do dispositivo. Estes parâmetros podem mudar
substancialmente dependo do fabricante.
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 110
B
E
hoe
hie
hre vce h fe ib
ib ic
C
E
+_
vbe
+
_
vce
+
_
O Transistor Bipolar
Modelos equivalentes – Modelo Híbrido (h) – Emissor Comum
Os parâmetros “h” são fornecidos pelo fabricante do dispositivo. Estes parâmetros podem mudar
substancialmente dependo do fabricante.
hie: Impedância de entrada, quando Vout = 0 (em curto).
hre: Relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída (Vin / Vout),
forçando Iin a zero (circuito aberto).
hfe: Ganho de corrente (Iout / Iin) com Vout = 0 (em curto).
hoe: Condutância de saída (Iout / Vout) com Iin = 0 (circuito aberto).
0
cevb
beie
i
vh
0
bice
bere
v
vh
0
cevb
cfe
i
ih
0
bice
coe
v
ih
Outros modelos de pequenos sinais
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 111
hie=re
hfe= hoe=1/r0’
hib =re
hfb= -
O Transistor Bipolar
Modelos equivalentes – Modelo Híbrido (h)
B
E
hoe
hie
hre.vce hfe .ib
ib ic
C
E
+_vbe
+
_
vce
+
_
Emissor Comum
E
B
hob
hib
hfb.ib
ie ic
C
B
+_vbe
+
_
vcb
+
_
Base Comum
Outros modelos de pequenos sinais
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 112
Transcondutância:
Resistência de entrada: Ri
Onde, VA é a voltagem de Early (VA=100V para npn)
B
E
ror gm.vbe
ib i
c C
E
vbe
+
_
vce
+
_ qKT
TV
CI
mg TV ,
mg
o
CI
TVo
r
CI
CEVAVor
O Transistor Bipolar
Modelos equivalentes – Modelo - Híbrido
Resistência de Saída: Ro
O modelo de pequenos sinais -híbrido, é a representação intrínseca de baixa frequênciado BJT.
Os parâmetros de pequenos sinais, são controladas pelo ponto Q e são independentes dageometria do BJT.
Outros modelos de pequenos sinais
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 113
Nomes alternativos:
f eh =ac=0=
C
E
ic
Vbe
+
_
B
E
ib
r V+
_
gmV roVce
+
_
Modelo -Híbrido
o hfe
o hre =0
C
E
ic
Vbe
+
_
B
E
ib
re .ibVce
+
_
Modelo re
ro
re= B
26 mV (Nota: usar valores DC de IB) I
hre = 0 ou use
= hfeo
o.re = hie
hoe = 0, 1
ro = hoe
0
cevb
beie
i
vh
0
bice
bere
v
vh
0
cevb
cfe
i
ih
0
bice
coe
v
ih
)(Ωg
1
h
hr
mfe
iee
1ro =
hoe
(KW)
r = gmhie = (KW)
B
E
hoe
hie
hrevce hfe ib
ib icC
E
+_vbe
+
_
vce
+
_
Modelo Híbrido (h)
O Transistor Bipolar
Três modelos equivalentes – Configuração Emissor Comum (EC)Outros modelos de pequenos sinais
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 114
E
B
C
IC
VCEVCC
Se VBB , IB = , IE IC = VCC/RC
zona de saturação
curto-circuito CE VCE = 0
Se VBB = 0 o < 0,7 V, IB = 0,
IE IC 0, VCE = VCC
Zona de corte
circuito aberto VCE = VCC
Transistor como comutador
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 115
VBB (V) VCE (V) Ic (mA) IB (A)
0,7 10 0 0
0,8 9,375 0,625 6,25
0,9 8,75 1,25 12,5
1 8,125 1,875 18,75
1,2 6,875 3,125 31,25
1,4 5,625 4,375 43,75
1,6 4,375 5,625 56,25
1,8 3,125 6,875 68,75
2 1,875 8,125 81,25
2,2 0,625 9,375 93,75
2,3 0 10 100
RB
RC
+VCC
Vsaída
Ventrada
Ventrada Vsaída
A Y
Y = not A
INVERSOR
Transistor como comutador: Inversor simples
O Transistor Bipolar
A
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 116
12 V
I
12 V
36 W3 A 12 V
12 V
36 W3 A
I
= 100
40 mA
IC
VCE
3 A
PF (OFF)12 V
PF (ON)
Substituímos o interruptor principal por um transistor.
A corrente de base deve ser suficiente para assegurar a zona de saturação.
Vantagens: Sem desgaste, sem chispas, - rapidez,
permite controlo através de sistema lógico.
Aplicações: Electrónica de Potência e Electrónica digital
IB = 40 mA4 A
ON
OFF
Transistor como comutador
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 117
12 V
I
12 V
36 W3 A
IC
VCE
3 A
PF (OFF)12 V
PF (ON)
IB = 40 mA4 A
ON
OFF
12 V
12 V
36 W
I
= 10040 mA
3 A
Igual que antes, substituímos o interruptorprincipal por um transistor.
A corrente de base (agora circula em sentidocontrário) deve ser suficiente para assegurar a zonade saturação.
O Transistor Bipolar
Transistor como comutador
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 118
Optoacoplador
Símbolo
Um fototransistor é um transistor em que a incidência de luz sobre a zonada Base, influencia em muito a corrente de Colector. A luz joga um papelsemelhante ao da corrente de Base.
IC
LED
F.T.
IC
ILED
R2
V2
+N
N P
R2
V2
FotodetectorIC/ILED » 1-0,2
Fototransistores e fotoacopladores
O Transistor Bipolar
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 119
O Transistor Bipolar
Amplificador Diferencial: Entrada modo diferencial
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 120
http://www.williamson-labs.com/480_xtor.htm#animations
O Transistor Bipolar
Amplificador Diferencial: Entrada modo Comum
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 121
http://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html
História Picturial do Transistor
Transistores
Semicondutores: Transistor BJT
12/02/2015 Por : Luís Timóteo 125
Transistor de Junção Bipolar, Paulo Lopes, ISCTE 2003
http://www.williamson-labs.com/480_xtor.htm
Bibliografias
http://www.learnabout-electronics.org/Downloads/Fig316dl_bjt_operation.swf
http://docentes.fam.ulusiada.pt/~d1095/Cap3_Elec_0607.pdf
http://eelab.sjtu.edu.cn/analog/%E5%91%A8%E8%80%81%E5%B8%88%E8%AF%BE%E4%BB%B6/chapter3_BJT(for IT class).ppt.