UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Câmpus Ponta Grossa TRANSITOR BIPOLAR DE JUNÇÃO (TBJ) Prof. Dr. Hugo Valadares Siqueira Especialização em Automação e Controle de Processos Industriais UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Câmpus Ponta Grossa SUMÁRIO • Equações aos terminais • Modelo de pequenos sinais • Montagens amplificadores de um único canal • Princípios Físicos – junção npn e pnp • Equação de Ebers-Moll de funcionamento na região de saturação • Modelo de alta-frequência Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Transístor n-p-n W n p n Emissor coletor Base Junção base-emissor Junção base-coletor • Semelhante a dois diodos ânodo com ânodo • A largura de base, W, é muito pequena! • Três zonas tipicas de operação – Zona de corte – Ambas as junções em corte – Zona ativa – Junção B-E ON Junção B-C OFF – Zona de saturação – Ambas as junções ON Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Funcionamento na Zona ativa A Junção BE emite elétrons que se deslocam para o coletor Emissor n p n Ie Ic I Junção Polarizada diretamente Coletor Base Ib Junção Polarizada inversamente • Na zona ativa temos a junção BE polarizada diretamente e a junção BC polarizada inversamente • Os elétrons responsáveis pela condução de corrente na junção base emissor atravessam a pequena base e são recolhidos no coletor! Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Funcionamento na Zona ativa A Junção BE emite elétrons que se deslocam para o coletor Emissor n p n Ie Ic I Junção Polarizada diretamente coletor Base Ib Junção Polarizada inversamente • Porque é que os elétrons não são bloqueados pela junção base coletor? – Porque como a base é muito fina a velocidade dos elétrons é suficiente para que os elétrons chegem ao lado n antes de colidirem com outras particulas (nucleos ou lacunas). – Os que ficam pelo caminho vão formar parte da corrente na base. – Assim temos que a corrente no coletor será aproximadamente igual à corrente no emissor (IcIe) e que a corrente a base será muito pequena (Ib<<Ic) – De fato temos que Ic é proporcional a Ib, Ic = Ib, com >>1 Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Equações para as correntes (zona ativa) iC iB v BE / vT Ib Ie Base Ib n iE iB iC Ic p Temos ainda: Ic n iC I S e coletor iE iB iB ( 1) iB 1 iC iE Ie Emissor Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Símbolo • O símbolo do transístor npn é baseado no seu modelo equivalente coletor C Ic base B Ib Ie E emissor Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Modelos equivalentes (npn) C C B iC I S e vBE / VT B iB iC / iC I S e vBE / VT iE iC / E E C iC iE B iE E IS e vBE / VT C B iB IS e iC iB v BE / VT E Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Transístor pnp W iC iB p n Emissor p Coletor Base emissor Ie base • • O emissor injeta lacunas na base que passam diretamente para o coletor. As equações são semelhantes às do transístor npn mas mudam os sentidos das correntes e troca-se Vbe por Veb. Ib Ic coletor iC I S e v EB / vT Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Modelos equivalentes (pnp) E E iE iC / B iC I S e vEB / VT iB iC / iC I S e vEB / VT C B C E E iE B IS e vEB / VT iC iE C iB IS e vEB / VT iC iB C B Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Funcionamento na Zona Ativa npn pnp Ic Ib Ie V EB V CE V BE iC iE Ie VCE 0.2V V EC Ib JBE ON iC I S e v BE / VT /( 1) VEC 0.2V Ic JBE ON iC I S e iC iB v EB / VT Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Zona de Saturação • A junção Base-Coletor começa a conduzir para Vbc=0.5V de onde resulta que na entrada na zona de saturação podemos considerar Vce=0.2 Modelo para o transístor na zona de saturação C Modelo simplificado C 0.5V C B 0.2V 0.2V B 0.7V B 0.7V E E E Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ I1 50uA Ib=60uA Ic (A) • Curvas Características dos Transistores Zona Ativa Ib=20uA Vce (V) Q1 2N3903 V2 12V Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Zona Ativa Inversa • Zona Ativa Inversa – O transístor é um dispositivo aproximadamente simétrico, de tal forma que se trocarmos o emissor com o coletor obtemos um novo dispositivo, que continua a funcionar como um transístor – No entanto o coletor é em geral menos dopado que o emissor, o que resulta em novo (R) bastante pequeno – Trocar o emissor com o coletor corresponde utilizar um valor de VCE negativo VEC 0.2V Ie Ib VCE VBE Ic JBC ON iE I S e iE R iB v BC / VT iE R iC Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Curvas Características R Zona ativa Zona saturação Zona ativa inversa Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Variação de beta com a corrente 200 beta 150 100 50 0 0,0000001 0,00001 0,001 0,1 10 1000 Ic (A) grandes variações de corrente provocam variações do beta Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ O Efeito da Temperatura Sensibilidade á Temperatura • Vbe varia cerca de –2mV/ºC para valores semelhantes de Ic 1,2 1 • Beta do transístor tipicamente aumenta com a temperatura Ic (A) 0,8 0ºC 0,6 27ºC 60ºC 0,4 Q1 2N3903 V2 0,2 12V V1 1V 0 0 0,2 0,4 0,6 Vbe (V) 0,8 1 Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Efeito de Early Mesmo na zona ativa existe uma pequena dependência de Ic com Vce. Isso devido a uma diminuição da largura efetiva da região de base, devido ao alargamento da região de depleção da junção CE. Efeito de Early. ic I S e Tensão de Early VA v BE / vT vce 1 VA Q1 2N3903 V2 12V I1 50uA Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Modelo de pequenos sinais Modelo Modelo T C B + v C iC gm . vBE iC gm. v r iC . iB - iC iE B re E E IC gm VT Nota: VT r I B gm v vBE IC gm VT r VT re 1 IE Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Incorporando o efeito de Early Modelo aumentado C B + v r rO E VA rO IC ro modela o efeito de Early Pode ser considerado como a resistência de saída da fonte de corrente. Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Polarização • Polarização: escolha do ponto de funcionamento em repouso com uma fonte de tensão • Como regra é usual distribuir a tensão igualmente por Rc, Vce e Re: I R V I R C C CE E E V CC V CC Rc VB Rc R1 Rb R2 Re Equivalente de Thévenin VB R2 VCC R1 R2 IE RB R1 // R2 VB VBE RE RB /( 1) Para que IE seja insensível a variações de temperatura e de devemos ter Re VBB VBE RE RB /( 1) IE VB RE Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Polarização • A polarização com duas fontes de tensão permite reduzir o consumo, etc… Polarização com uma fonte de corrente permite aumentar a impedância vista da base, etc… V CC VEE VBE IE RE RB /( 1) V CC V CC Rc R1 Rc Rb I E1 I E 2 VCC VEE VBE R1 Re IC I E V EE V EE Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Configurações de Amplificação de um Único Bloco Montagem emissor comum Montagem coletor comum ou seguidor de emissor Montagem base comum V cc V cc Rc Rc V cc Vo Vo Rs Q1 Rs Q1 Q1 V1 Ce Vo Rs V1 I1 I1 Rl I1 V1 V ee V ee V ee Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Montagem Emissor Comum Modelo de pequenos sinais V cc ib Rs Rc Vi Vo Ri vpi Rpi - Rs Q1 v vi V1 r RS r V ee Usa-se para ter Ganho de tensão ro Ro Rc RI r e vO gm . v rO // RC r AV gm RS r I1 io gm vpi + rO // RC AV gm RC AI rO rO RC RO RC // rO Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Emissor Comum Degenerado Modelo de pequenos sinais V cc Vo .ie Rc Ii Vo Rs Q1 Io Ro Rs Vs Rc re Ri + v - V1 Re Re I1 RI r 1 RE RC RC AV RS 1re RE RE V ee AI RO RC Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Montagem Coletor Comum ou Seguidor de Emissor Modelo de pequenos sinais V cc Nota: calcularam-se os ganho de corrente e tensão com carga Rs Q1 Ce Rs Vo V1 V1 Ri re Vo I1 Rl Ro ro Io Rl V ee AV re ro // RL RS re ro // RL 1 rO AI 1 rO RL RL RS RL 1 1 RI 1re ro // RL RS re RO rO // re 1 Usa-se para ter Ganho de corrente Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Montagem Base Comum iE V cc Rc Vo Ro Rc re Vo Rs Vi Ri Q1 Rs I1 V1 V ee RI re AI RO RC AV RC RS re Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ O Inversor BJT Vcc VOH Zona Corte Rc Zona ativa Vo Rs Q1 Vi Zona Saturação VOL 0.2V VIL 0.7V VIH Exemplo: Rb=10k , Rc=1k e =50 e Vcc=5V VIH 0.7V RS I B 0.7V RS 5 0.2 1.66V RC Margens de Ruído: NM H VOH VIH NM L VIL VOL Não é utilizada em parte devido ás dificuldades em retirar o transistor da saturação Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Perfil da Densidade de Portadores Emissor (n) Vbe Vcb n p (0) Base (p) n(x) Coletor (n) O Campo eléctrico remove os elétrons livres p(x) I W Largura efetiva de base Linear já que W << Ld • A densidade de elétrons livres decresce na base. No coletor os elétrons livres são removidos pelo campo eléctrico. • Como a base tem um comprimento bastante inferior ao comprimento de difusão este 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 elétrons livres. Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Corrente majoritária Emissor (n) Vbe Vcb A tensão Vbe aumenta com a concentração de elétrons livres no emissor coletor (n) n p ( 0) n(x) Base (p) p(x) I iC in AE q Dn AE q Dn n p ( 0) W d n p ( x) dx n p0 2 i n NA n p ( 0) n p 0 e v BE vT 2 i AE q Dn n vBE / vT iC e NAW • O emissor (tipo-n) é muito mais dopado que a base (tipo-p) donde resulta que a corrente é majoritariamente formada por elétrons livres, que se deslocam diretamente do emissor para o coletor! Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Corrente majoritária Emissor (n) Vbe n p ( 0) n(x) Vcb coletor (n) Base (p) p(x) I iC I S e v BE / vT 2 i AE q Dn n IS NAW • O Transístor na zona ativa comporta-se como um díodo polarizado diretamente com uma corrente de saturação dada por “Is”, mas em que corrente flui num terceiro terminal denominado de coletor! Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Corrente na base • A corrente da base tem duas componentes: iB iB1 iB 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. iB1 AE q D p ni2 N D Lp e vBE / vT - iB2 = Corrente de reposição dos elétrons que se recombinam com as lacunas ao atravessarem a base. Carga armazenada na base iB1 Qn B 1 Qn AE q n p (0) W 2 Tempo médio que um electrão demora até se recombinar com uma lacuna iB 2 1 AE q W ni2 vBE / VT e 2 B NA Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Ganho de corrente do Transístor Combinando as equações anteriores iC iB Temos ainda a relação de Einstein: Dn B L2n 1 Dp N A W 1 W 2 Dn N D LP 2 Dn B • Deve-se notar que: – 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. • Beta é normalmente considerado aproximadamente constante para um dado transístor apesar de variar com vários fatores Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Substrato • Os transístores nos circuitos integrados modernos são em geral construídos através da adição de impurezas a uma bolacha de semicondutor. Transístor planar E n B C Transístor vertical contatos metálicos n n p E B C Corte vertical Transístor n p Substrato de Silício Bolacha de Silício Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Modelo de Ebers Moll IE e IS IC I S e v BE / VT v BE / VT 1 I S e vBC / VT 1 1 IS R e v BC / VT IB F e v BE / VT 1 IS R e Ic 1 I C1 I S e vBE / VT 1 I C 2 I E1 / R Donde se deduz que: IS coletor v BC / VT 1 Base Ib I E 2 I C1 / Modelo global de funcionamento do transístor Emissor I E1 I S e vBC / VT 1 Ie Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Zona de Saturação • Utilizando o modelo de Ebers Moll podemos chegar a seguinte fórmula para a região de saturação. VceSat (mV) VCESat VT ln 250 1 ( forced 1) / R 200 150 100 50 1 forced / F 10 forced IC IB 20 forced forced F 30 40 Exemplo: =50 forced Vcesat(mV) 50 48 45 40 30 20 10 1 0 235 211 191 166 147 123 76 60 Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Concentração de Portadores Minoritários na Base de um Transístor Saturado Zona ativa Zona ativa inversa Zona Saturação n p 0 e vBE / VT n p 0 e vBC / VT Tempos elevados para a saída da região de saturação Grande quantidade de carga Armasenda na base! Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Modelo de Transporte coletor IB IS IS F R e e 1 v BE / VT v BC / VT Ic 1 I C I S e vBE / VT 1 Base Ib Uma forma alternativa do modelo de Ebers-Moll Emissor I S e vBC / VT 1 Ie Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Beta para pequenos sinais hef iC ic / ib AC iB • depende de Ic Valor redusido iC (iB ).iB hef ' (iB ).iB (iB ) iB iB hef , mas hef Beta corresponde a secante à curva, e hef à tangente à curva! Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Efeitos capacitivos no BJT • Capacidade de difusão ou de carga na base (zona ativa) W2 Qn iC F iC 2 Dn Junção ao corte • Capacidade da junção base emissor C je • Capacidade da junção base coletor C Cde F Junção em condução C je 0 VBE 1 VOE m C 0 VBC 1 VOC IC VT m C C fe Cde C je 2C je 0 C 2C 0 Câmpus Ponta Grossa UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Modelo de Alta frequência B C rx r C ro C Este modelo só é válido até cerca de 0.2 ft E h fe 0 1 s C C r Variação de hfe com a frequência hfe h fe 0 fT ft f 0 f 1 0 fT gm 2 C C Circuito para determinação do beta V cc Q1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Câmpus Ponta Grossa COMPOSIÇÃO DA NOTA RELATÓRIO DO ÚLTIMO EXPERIMENTO (PESO - 50%) -PROJETO DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL COM INVERSÃO DE SINAL E GANHO “3” -COLOCAR OS CRITÉRIOS PARA ESCOLHA DO TIPO DE CONFIGURAÇÃO (REALIMENTAÇÃO) -COLOCAR OS CÁLCULOS REFERENTES AO EQUACIONAMENTO DO CIRCUITO USADO E O DIMENSIONAMENTO PARA OBTENÇÃO DO GANHO DESEJADO -SEGUIR AS DIRETRIZES PARA ELABORAÇÃO DE RELATÓRIO ENVIADAS PELO PROFESSOR -O RELATÓRIO DEVE SER BEM OBJETIVO, NA REV. DE LITERATURA. COLOCAR APENAS REFERÊNCIAS COM RELAÇÃO DIRETAMENTE COM O PROJETO AVALIAÇÃO ESCRITA – EXERCÍCIOS (PESO – 50%) - RESOLVER OS EXERCÍCIOS DE FORMA MANUSCRITA - NÃO SERÃO ACEITAS RESOLUÇÕES DIGITALIZADAS - É OBRIGATÓRIA A APRESENTAÇÃO DOS CÁLCULOS - NÃO SERÃO ACEITAS APENAS AS RESPOSTAS
