Semicondutores-Transistor BJT

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Princípios, caracteristicas e configurações de tranasistores Bipolares (BJTs).

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Semicondutores-Transistor BJT

  1. 1. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 1
  2. 2. 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 electrónica evoluído de modo assombroso … como hoje!... A Válvula Electrónica  Com o fim da Segunda Guerra Mundial, a grande super potência vencedora, os EUA, definiram que a força aérea era um ramo militar demasiado importante, e que precisava de electrónica adequada para as missões que se adivinhavam… Mas a electrónica da época estava desenhada, para navios de guerra, tipo “forte e feio”, pesada, e de muito consumo de energia, nada compatível com o embarque em aviões!...  Assim, foram nomeados cientistas e investigadores, afim de encontrarem um substituto para a válvula electrónica…
  3. 3. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 3 Em 1947… um grupo de cientistas, composto por William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain, nos laboratórios Bell. Resolveram "voltar no tempo", á época dos antigos rádios a cristal. Ao contrário dos equipamentos a válvulas, os velhos rádios experimentais a cristal eram capazes de detectar as altas frequências, descoberta de Ferdinand Braun, que dizia que cristais podiam transmitir electricidade num único sentido. …Aí, poderia estar um substituto para as válvulas... “Transient resistor”. Transistor O Transistor de contacto …O efeito transistor é observado pela primeira vez por Bardeen, Shockley e Brattain nos laboratórios da “Bell”… Devido a um acaso! … em contactos com cristais….
  4. 4. 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 Germânio P N Base de Metal
  5. 5. 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, ele secretamente continuou o seu trabalho para construir um tipo diferente de transistor baseado em junções em vez de contactos pontuais; ele esperava esse tipo de projecto seria mais provável que fosse comercialmente viável. O transistor de contacto, seria frágil, difícil de fabricar, e de fraco desempenho. Shockley também estava insatisfeito com algumas partes da explicação de como o transistor de contacto trabalhou, e concebeu a possibilidade de injecção de portadores minoritários… Germânio tipo -P
  6. 6. 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-N Tipo-P Emissor Base Colector Tipo-P Em 1948. John N. Shive, construiu um transistor de contacto, com os contactos em bronze na 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 de junção de Shockley . Poucos meses depois, e depois de muito estudo, ele inventou um transistor inteiramente novo, muito mais robusto, com uma estrutura de camadas ou "sanduíche". Esta estrutura passou a ser utilizado para a grande maioria de todos os transistores na década de 1960, e evoluiu para o transistor de junção bipolar. O transistor bipolar de junção tinha sido inventado. Deposição de Índio
  7. 7. 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 várias companhias… 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
  8. 8. 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.
  9. 9. 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: o funcionamento da primeira união não afecta o da segunda. O Transistor de junção
  10. 10. 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 do transistor... Isso consegue-se com níveis diferentes de dopagem, sendo o Emissor mais dopado que o Colector. A difusão dos electrões livres através da junção produz duas camadas de depleção. Para cada uma dessas 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 não possuem a mesma largura.  Efeito Transistor
  11. 11. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 11 PP O terminal central (Base) controla uma fracção da corrente que circula entre os outros dois terminais (Emissor e Colector) Base Emissor Colector As regiões n e p são diferentes tanto geometricamente quanto em termos de concentração 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
  12. 12. 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 150 vezes 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 IE IC IB Lacunas VCE VCB VBE I E IC IB A maior mobilidade apresentada pelos electrões, faz com que as características do transistor NPN sejam melhores que as de um PNP de forma e tamanho equivalente. Os NPN usam-se em maior número de aplicações… O Transistor Bipolar
  13. 13. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 13 P P Base Emissor Colector VBE VCB N N Fluxos de corrente num transistor npn operando na Zona Activa O transistor é construído de tal forma que praticamente toda a corrente é constituída pelo fluxo de electrões do Emissor para o Colector. A região do Emissor é muito mais fortemente dopada 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 do colector. Os electrões que fluem do Emissor para a Base, atravessam esta região e são atraídos para o Colector, antes de haver tempo para a recombinação com as lacunas na base. A corrente no Colector é da mesma ordem de grandeza da corrente no Emissor. O Transistor Bipolar
  14. 14. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 14 Perfis das concentrações de portadores minoritários na Base e no Emissor de um transistor npn operando no modo activo: VBE > 0 e VCB ³ 0. Base (P) Colector (N) )(xn O Campo eléctrico remove os electrões livres Emissor (N+) )(xp VBE VCB 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(pn Concentração de Electrões np ideal np com recombinação Largura efectiva da Base W TBE Vv pp enn / 0)0(  Deplexão JEB Deplexão JBC ncoletor = 0  JBC directamente polarizada A densidade de electrões livres decresce na Base. No Colector os electrões livres são removidos pelo campo 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 é bastante inferior à concentração de electrões livres.
  15. 15. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 15 A i p N n n 2 0  W n DqA p nE )0(  A tensão VBE aumenta com a concentração de electrões livres no 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 xnd DqAII 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 inE C e WN nDqA I / 2 
  16. 16. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 16              W (0)n DqA dx xdn DqAI p nE p nEn )( TBE Vv SC eII /  A i nE p nES NW n DqA W n DqAI )0( 2 0  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 com uma corrente de saturação dada por “Is”, mas em que corrente flui num terceiro terminal denominado de Colector!
  17. 17. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 17 TBE Vv PD ipE B e LN nDqA i / 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 n B e N nWqA 2 1Q i / 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 ao atravessarem a Base. B n B Q i  1 WnqAQ pEn )0( 2 1  O Transistor Bipolar
  18. 18. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 18 Constante para um transistor em particular (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 VvSC BBB e II iiI / 21                   bnPD A n p D W L W N N D D   2 1 1 2  : ganho de corrente com Emissor Comum (usualmente, 100 <  < 200).  Para obter um elevado valor de  (desejável), a Base deve ser fina (W pequeno) e levemente dopada e o Emissor fortemente dopado (NA / ND pequeno).
  19. 19. 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 dado transistor apesar de variar com vários factores… 
  20. 20. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 20 TBE VvS E e I I /         O Transistor Bipolar Transistor NPN: A corrente de Emissor IE Fluxos de corrente num transistor NPN operando na Zona Activa TBE Vv SCBCE eI 1 I 1 III /                               11 II 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.
  21. 21. 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 VvSC B e II I /          TBE VvSC E e II I /           Para o transistor PNP, substituir VBE por VEB.     BEBC E EBEC I1III 1 I I1III       11           q kT V micaTensão térT    25 mV á temperatura ambiente
  22. 22. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 22 Fluxos de corrente num transistor PNP operando na Zona Activa + VEB - +VBC- Lacunas IE IC IB Electrões O transistor PNP opera de forma semelhante ao descrito para o transistor NPN. A tensão VEB polariza directamente a junção EB. A tensão 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 em comparação com as correntes de lacunas em sentido contrário. A região do Emissor, tal como no transistor NPN, é muito mais fortemente dopada do que a região da Base. A espessura da Base é muita pequena em comparação com as dimensões do dispositivo. IE IB ICVCB VCE VBE PNP O Transistor Bipolar
  23. 23. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 23 Fluxos de corrente num transistor PNP operando na Zona Activa + VEB - +VBC- Lacunas IE IC IB Electrões O transistor PNP opera de forma semelhante ao descrito para o transistor NPN. A tensão VEB polariza directamente a junção EB. A tensão 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 em comparação com as correntes de lacunas em sentido contrário. A região do Emissor, tal como no transistor NPN, é muito mais fortemente dopada do que a região da Base. A espessura da Base é muita pequena em comparação com as dimensões do dispositivo. IE IB ICVCB VCE VBE PNP O Transistor Bipolar
  24. 24. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 24 O terminal central (Base) controla uma fracção da corrente que circula entre os outros dois 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…
  25. 25. 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(?)!.... - - -
  26. 26. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 26 Equivalente hidráulico do transistor Base Colector Emissor 1 2 3 1. Base 2. Emissor 3. Colector O Transistor Bipolar Funcionamento do Transistor Bipolar
  27. 27. 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
  28. 28. 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
  29. 29. 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
  30. 30. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 30 O Transistor Bipolar Forma real dos transistores Bipolares TO-3 2N3055 (NPN) BU326 (NPN) TO-18 TO-220 MJE13008 (NPN) IRF840 (MOSFET, N) BDX53C (Darlington) Encapsulado TO-92 BC548 (NPN) BC558 (PNP) BD135 (NPN) BD136 (PNP) TO-126 TO-5
  31. 31. 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
  32. 32. 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 e junção 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 ligadas em anti série. A corrente é produzida, quer por electrões, quer por lacunas, e daí a designação de bipolar.
  33. 33. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 33  Os sentidos de referência adoptados para tensões e correntes aos terminais do transistor são escolhidos de tal modo que, para o funcionamento na zona activa directa, as correntes são positivas.  O funcionamento dos dois tipos de transistores é muito semelhante; quando sem passa de um para outro, todos os resultados se mantêm se se trocarem os sentidos das tensões e das correntes Convenções VCE VCB VBE I E IC IB NPN IE IB ICVBC VEC VEB PNP O Transistor Bipolar
  34. 34. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 34 Modos de operação: Transistor NPN VCE VCB VBE IE IC IB  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
  35. 35. 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    IC(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
  36. 36. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 36 Modos Junção EB Junção CB Aplicação Corte Inversa Inversa Aplicações de comutação em circuitos digitaisSaturação Directa Directa Activo Directa Inversa Amplificador Inversa Activo Inversa Directa Degradação do desempenho Modos de operação O Transistor Bipolar
  37. 37. 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 da junção 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 saída serão 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
  38. 38. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 38 NPN Ib=20uA Ib=60uA O Transistor Bipolar  Zona Activa ENTRADA Diodo polarizado directamente Saída iC=iB O Transistor Bipolar O BJT como amplificador iC + VBE _ VCE + _ Configuração de Emissor Comum (EC): Curvas características
  39. 39. 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 de Colector 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).
  40. 40. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 40  Relação linear de IC com VCE : assumindo que IS permanece constante a corrente de Colector é modificada pelo termo :        A CEVV SC V V 1eII TBE /  Inclinação não-nula das linhas rectas IC – VCE : a impedância de saída do Colector não é infinita. -VA VCE VBE… VBE… VBE… VBE… IC Região Activa Região Saturação VBE > 0. VCE pequeno (VC < VB)  JCB: polarização directa  região de saturação.  VCE  VCB < 0  JCB: pol. inversa   espessura da região de deplexão na JCB   WEFETIVA DA BASE   IS   IC : Efeito Early. Configuração de Emissor Comum (EC): Efeito de Early O Transistor Bipolar O BJT como amplificador
  41. 41. 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 definida por: 1 constantevCE C o BE Δv Δi r            Da equação anterior deduz-se que: ro  VA / IC  IC : o nível da corrente correspondendo ao valor constante de VBE próximo à fronteira da região activa. Esta dependência de iC com vCE no projecto e análise do circuito de polarização normalmente não é considerada; no entanto, a resistência de saída finita ro pode ter um efeito significativo no ganho de amplificadores a transistores. Configuração de Emissor Comum (EC): Efeito de Early O Transistor Bipolar O BJT como amplificador
  42. 42. 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
  43. 43. Kristin Ackerson, Virginia Tech EE Spring 2002 Early Effect Example Given: The common-emitter circuit below with IB = 25A, 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
  44. 44. 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
  45. 45. 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 de modulação por largura de base, forte dependência linear de iC em vCE. Modelo de Circuito Equivalente DC C E TBE Vv SeI / vBE DE B (a)iC iE iB (ISE =IS/F)  O modelo da figura (a), representa o BJT como uma fonte de corrente controlada por tensão, sendo vBE a tensão de controlo.  Modelo de circuito equivalente do BJT npn para grandes sinais a operar no modo activo.
  46. 46. 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 vBE DE B (b)iC iE iB (ISE =IS/F)  Em b) o BJT é representado por uma fonte de corrente controlada 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 vBE0,7V , independentemente do valor exacto das correntes.  Supondo que o dispositivo opera na região activa, pode-se aplicar a relação entre IB, IC, IE, para determinar a tensão VCE ou VCB.
  47. 47. 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 do transistor como um amplificador. • (b) O circuito de (a) com o vbe, fonte de sinal, eliminado para análise DC (polarização). • Com as fontes de corrente contínua (VBE e VCC) eliminados (curto- circuito), portanto, apenas os componentes de sinal estão presentes. Note-se que esta é uma representação do funcionamento do BJT com sinais, e não um circuito amplificador real.
  48. 48. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 48 T CQ m V I g  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 
  49. 49. 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 i b i c C v be + _ i e (a) O circuito equivalente em (a) representa o BJT como uma fonte de corrente controlada por tensão (um amplificador de transcondutância). gm= IC/VT r= / gm B E r .ib i b i c C v be + _ i e (b) O circuito equivalente em (b) representa o BJT como uma fonte de corrente controlada por corrente (um amplificador de corrente).
  50. 50. 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.vbe gm= 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 r resistência de Base, em destaque no modelo -híbrido.
  51. 51. 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 i b i c C v be + _ i e (a)  Resistência de entrada pela Base: mBQ T b be gI V i v r    C E vbe B (b) ic ie ib re gm.vbe  Resistência do Emissor: mEQ T e be e gI V i v r    Relação entre as duas resistências: err )1(  
  52. 52. 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 i b  Expressão para a resistência de saída. ' 1 . C A constvCE C o I V v i r BE                Resistência de saída representa o efeito de Early (ou modulação de largura da Base).
  53. 53. 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 aos transistores pnp sem alterações de polaridades. Como o sinal pequeno não pode alterar as condições de polarização, os modelos de pequenos sinais são independentes das polaridades.  Não importa qual a configuração, o modelo é único. Qual a ser seleccionado, é determinado apenas pela análise mais simples.
  54. 54. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 54 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Corrente de Base: IB iB vBE Q IB 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
  55. 55. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 55 IC VCE IB1 IB2 IB4 IB3 VCC C CC R V RC RB VBE VCC VBB VCE IC IB O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Corrente de Base: IB Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
  56. 56. 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 com transistores, a análise gráfica é, no entanto, útil para compreender o funcionamento de um circuito amplificador. Façamos por isso a análise gráfica 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 pelas coordenadas 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 amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
  57. 57. 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 amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
  58. 58. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 58 RC RB VBE VCC 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 amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
  59. 59. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 59 VCE = -IC RC+ VCC Q IC VCE O VCE IC RC VCC C CC R V IB1 IB2 IB4 IB3 RC RB VBE VCC VBB VCE IC IB C CECC C R VV I   O Transistor Bipolar  Recta de Carga e ponto de funcionamento O BJT como amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
  60. 60. 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 V VCE = 100 IC IB RegiãoActiva O Transistor Bipolar  Recta de Carga A81,25 16000 0,72 R VV I B BEBB B      O BJT como amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
  61. 61. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 61 V BE 0,7 V VCE (V) Ic (mA) 0 16,33 8,333 7,824 980W 16 0,00 170kW  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 Ic(mA) 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 amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
  62. 62. 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
  63. 63. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 63 vCE iC 0 vBE iC vCEiBO circuito de Colector impõe que: vCE=VCC - iC.RC ou seja: C CE C CC C R v R V i   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 iC vCE, 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 activa e, 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 amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
  64. 64. 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 serão triangulares, 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 uma forma de onda triangular, sobreposto a uma tensão contínua VBB. Para cada valor instantâneo de VBB + vi(t), pode desenhar-se uma recta de inclinação -1/RB. Esta “recta de carga instantânea” intersecta a curva iB - vBE num ponto 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 e negativo. O Transistor Bipolar Pequenos sinais O BJT como amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
  65. 65. 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 instantâneo no plano iC-vCE estará na intersecção da recta de carga com a curva correspondente a iB = iB2. A figura mostra que o ponto de funcionamento se deslocará ao longo da recta de carga de inclinação -1/RC á medida que iB for assumindo os valores instantâneos determinados 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 amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica
  66. 66. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 66 vCE iC 0 IB iB = …. iB =iB2 iB =iB1 …. iB = …. QB VCE QB QA VCE QA Recta de Carga VCC O Transistor Bipolar Ponto de funcionamento e excursão do sinal O BJT como amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Análise gráfica A recta de carga em QA com um VCE correspondente, que está muito perto do VCC e, portanto, limita o balanço positivo da vCE. No outro extremo, a recta de carga em QB, resulta num ponto de operação muito perto da região de saturação, limitando assim o balanço negativo da vCE.
  67. 67. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 67 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração 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
  68. 68. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 68 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração 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, são considerados como “maus“, logo não são recomendados.
  69. 69. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 69 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Polarização com elementos discretos e fonte única Circuito com o divisor de tensão alimentando a Base, substituído com o seu equivalente Thevenin. A estabilidade da corrente DC do Emissor é obtida considerando a acção de feedback negativo fornecido pela RE.
  70. 70. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 70 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Polarização com elementos discretos e fonte única  Duas restrições:    1 B E BEBB R R VV  Regras de ouro: ),( 3 1 3 1 EERR1 CC3 1 CB CCCC CCBB I0.1III VV VRI VV B2    
  71. 71. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 71 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Polarização com duas fontes de alimentação Resistência RB pode ser eliminada na configuração Base Comum. A resistência RB é apenas necessária se o sinal é para ser acoplado capacitivamente à Base. As duas restrições devem aplicar-se.
  72. 72. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 72 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração 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.
  73. 73. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 73 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração 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.
  74. 74. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 74 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Aplicação do Modelo e pequenos sinais a. Determinar o ponto de funcionamento DC (Q) do BJT e, em particular, a corrente de Colector DC - IC (ICQ). b. Calcular os valores dos parâmetros do modelo de pequeno sinal, tal como gm=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 modelo seleccionado deve ser o mais conveniente do que os outros, na análise do circuito. e. Determinar os valores necessários.
  75. 75. 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=0 IC VCE VBE IE IB NPN Rc VCC 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 Rc VCC Condições AC; vbe0 vbe
  76. 76. 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).
  77. 77. 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.
  78. 78. 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 i i i v R Resistência de entrada: i i in i v R  Ganho de tensão com circuito aberto:   LRi o vo v v A Ganho de tensão: i o v v v A 
  79. 79. 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 o is i i A Ganho de corrente: i o i i i A  Transcondutância em curto-circuito: 0  LRi o m v i G Ganho de tensão global em circuito aberto:   LRsig vo v v G 0 Ganho geral de tensão: sig v v v G 0 
  80. 80. 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 x o i v R Resistência de saída: 0  sigvx x out i v R
  81. 81. 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
  82. 82. 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 L vov RR R AA   omvo RGA  oL L vo sigin in v RR R A RR R G   vo sigi i vo A RR R G   outL L vov RR R GG  
  83. 83. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 83 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Estrutura Básica  Circuito com estrutura básica, utilizado para realizar configurações de um andar amplificador com BJTs, usando elementos discretos.
  84. 84. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 84 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Amplificador  Circuito a nível de pequenos sinais.
  85. 85. 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 RCRB RL 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 ii io
  86. 86. 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 RC R0ut 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
  87. 87. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 87 O Transistor Bipolar Configuração Emissor Comum (EC) O BJT como amplificador
  88. 88. 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.
  89. 89. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 89 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Com resistência de Emissor Re  Circuito a nível de pequenos sinais.
  90. 90. 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 amplificador Configuração de Emissor Comum (EC): Com resistência de Emissor Re R0ut io vo + - ii
  91. 91. 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 LC v Rr RR A   // Ganho Total Gv: ))(1( )//( eesig LC v RrR RR G     Resistência de Saída ROut: Configuração de Emissor Comum (EC): Com resistência de Emissor Re
  92. 92. 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
  93. 93. 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 Saturação Região Activa 0.4- 0.5V IE1 IE2 IE=IE1 IE=IE2 O BJT como amplificador
  94. 94. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 94 O Transistor Bipolar Configuração de Base Comum (BC) : Curvas de saída O BJT como amplificador  Região Activa  A junção BE está polarizada directamente e a junção BC está polarizada inversamente  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 polarizada inversamente.  Grande valor de tensão dá origem á ruptura da junção BC;  Corrente de Colector aumenta dramaticamente.
  95. 95. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 95 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração de Base Comum (BC):  Circuito a nível de pequenos sinais.
  96. 96. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 96  Circuito Equivalente Modelo - O Transistor Bipolar O BJT como amplificador RC RL + - RSig vsig R0ut io vo + - ii C ei. B ie reE Rin + - vi Configuração de Base Comum (BC):
  97. 97. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 97  Circuito Equivalente Modelo - O Transistor Bipolar O BJT como amplificador io RC RL + - 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 LC v rR RR G   )//( Resistência de Saída ROut: Cout RR  Ganho de Corrente em curto-circuito Ais: isA
  98. 98. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 98 O Transistor Bipolar Configuração Base Comum (BC) Configurações de amplificadores com BJTs
  99. 99. 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):
  100. 100. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 100 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração de Colector Comum (CC) ou Seguidor de Emissor (SE):
  101. 101. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 101  Circuito Equivalente Modelo - O Transistor Bipolar O BJT como amplificador C ei. B ie re E ro RL + - RSig vsig R0ut Rin RB vo + - Configuração de Colector Comum (CC) ou Seguidor de Emissor (SE): vb + - ib =(1-)ie= ie  +1
  102. 102. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 102 O Transistor Bipolar O BJT como amplificador Configuração 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 Lo v Rrr Rr A      Ganho Total Gv: )//)(1( )//)(1( // // Loe Lo sigibB ibB v Rrr Rr RRR RR G       Resistência de Saída ROut:   1 // sigB eout RR rR Ganho de Corrente em curto-circuito Ais: )1( isA
  103. 103. 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):
  104. 104. 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
  105. 105. 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.
  106. 106. 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 RR rR     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
  107. 107. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 107 EMISSOR COMUM EMISSOR COMUM COM RE=170 W 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
  108. 108. 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 do ganho 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 ser utilizada como um “Buffer” de tensão no último andar de amplificadores em cascata.
  109. 109. 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 hfe ib ib ic C E + _ vbe + _ vce + _ O Transistor Bipolar Outros modelos de pequenos sinais Modelos 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 de pequena amplitude. Os parâmetros h são fornecidos pelo fabricante do dispositivo. Estes parâmetros podem mudar substancialmente dependo do fabricante.
  110. 110. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 110 B E hoe hie hre vce hfe 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 be ie i v h 0  bice be re v v h 0  cevb c fe i i h 0  bice c oe v i h Outros modelos de pequenos sinais
  111. 111. 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 i b ic C E +_ vbe + _ vce + _ Emissor Comum E B hob hib hfb.ib i e ic C B +_ vbe + _ vcb + _ Base Comum Outros modelos de pequenos sinais
  112. 112. 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 ro r gm.vbe i b i c C E v be + _ v ce + _ q KT T V C I mg TV  , mg o C I T Vor    C I CEVAV or   O Transistor Bipolar Modelos equivalentes – Modelo  - Híbrido Resistência de Saída: Ro O modelo de pequenos sinais -híbrido, é a representação intrínseca de baixa frequência do BJT.  Os parâmetros de pequenos sinais, são controladas pelo ponto Q e são independentes da geometria do BJT. Outros modelos de pequenos sinais
  113. 113. 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 ro Vce + _ Modelo -Híbrido o  hfe o hre =0 C E ic Vbe + _ B E ib  re .ib Vce + _ Modelo re ro re= B 26 mV (Nota: usar valores DC de IB) I hre = 0 ou use = hfeo o.re = hie  hoe = 0, 1ro = hoe 0  cevb be ie i v h 0  bice be re v v h 0  cevb c fe i i h 0  bice c oe v i h )(Ω g 1 h h r mfe ie e  1 ro = hoe (KW) r = gm hie = (KW) B E hoe hie hrevce hfe ib ib ic C E +_ vbe + _ vce + _ Modelo Híbrido (h) O Transistor Bipolar Três modelos equivalentes – Configuração Emissor Comum (EC) Outros modelos de pequenos sinais
  114. 114. 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
  115. 115. 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
  116. 116. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 116 12 V I 12 V 36 W 3 A 12 V 12 V 36 W 3 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
  117. 117. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 117 12 V I 12 V 36 W 3 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 interruptor principal por um transistor. A corrente de base (agora circula em sentido contrário) deve ser suficiente para assegurar a zona de saturação. O Transistor Bipolar Transistor como comutador
  118. 118. 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 zona da Base, influencia em muito a corrente de Colector. A luz joga um papel semelhante ao da corrente de Base. IC LED F.T. IC ILED R2 V2 +N N P R2 V2 Fotodetector IC/ILED » 1-0,2 Fototransistores e fotoacopladores O Transistor Bipolar
  119. 119. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 119 O Transistor Bipolar Amplificador Diferencial: Entrada modo diferencial
  120. 120. 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
  121. 121. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 121 http://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html História Picturial do Transistor Transistores
  122. 122. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 122 Dúvidas?
  123. 123. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 123
  124. 124. Semicondutores: Transistor BJT 12/02/2015 Por : Luís Timóteo 124
  125. 125. 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.

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