Eletrônica Aula 04 - transistor CIN-UPPE

1. EletrônicaAula 04 - transistorCIN-UPPE

2. Transistor • O transistor é um dispositivo semicondutor que tem como função principal amplificar um sinal elétrico, principalmente pequenos sinais, tais como: • Sinal de TV • Sinal de rádio • Sinal biológico • ............... • O primeiro transistor de junção (Germânio) foi inventado em 1951, por Shockley.

3. Transistor • O transistor substituiu as válvulas, anteriormente utilizadas como dispositivos amplificadores de sinais, as quais apresentavam desvantagens, tais como: • Alto aquecimento • Pequena vida útil (alguns milhares de horas) • Ocupa mais espaço que os transistores • A invenção do transistor permitiu uma revolução na integração de funções em um único componente, o circuito integrado.

4. Primeiro transistor de germânio John Bardeen and Walter Brattain at Bell Laboratories.(1947) 4004 Primeiro Microcomputador Em CI (1971) Primeiro transistor comercial em silício(1954) PDP-8 Primeiro Microcomputador Em transistor(1965) Transistores • Válvula

5. Evolução da complexidade dos CIs

6. Transistor • Tipos • BJT – Transistor de junção (bipolar) • Bipolar (elétrons e buracos) • MOS – Metal Óxido Silício • Unipolar (elétrons)

7. Transistor de Junção (BJT) - NPN C B E

8. Transistor de Junção (BJT) - PNP C B E

9. IC IB Modelo Real Modelo convencional IC IB IE IE Correntes no transistor • IE = IB + IC

10. IC e ligeiramente menor do que IE α = IC / IE α 0.95 O ganho de corrente de um transistor é definido como a corrente do coletor dividida pela corrente da base  = IC / IB Transistor • O que torna o transistor interessante e útil é o fato de que a corrente de coletor é bem maior que a corrente de base. • Para um transistor típico, 95% a 99% dos portadores da carga do emissor são emitidos pelo coletor e constituem-nos quase toda a corrente de coletor.

11. Transistor - característcas • Transistores de baixa potência têm ganho de corrente da ordem de 100 a 200. • Transistores de alta potência têm ganho de corrente da ordem de 20 a 100.

12. Transistor - Configurações Emisor comum Coletor comum Base comum

13. Curva da base out IB = (VIN - VBE )/RB • IE = IB + IC 0.7V • VCE = VC – VE • VCB = VC – VB Transistor – Emissor comum - características

14. Corrente IC constante (região ativa) VBE =V IB > 0 IC/IB =   constante Joelho da curva Região de saturação VBE =V IB > 0 IC/IB <  Região de corte VBE < V IB = 0 IC IE 0 Tensão de ruptura Transistor – Curvas do coletor

15. Transistor – regiões de operação

16. VC=0,2V VB=0,6V VE=0V Transistor – Região de saturação • Região de saturação • Está região representa a região no qual a corrente do coletor cresce bastante com o aumento da tensão entre o coletor e emissor (0 a 1 V) • Nesta região o diodo coletor base está diretamente polarizado. • O valor de resistência da carga deve ser pequena bastante para levar o transistor para a saturação, de forma que quase toda a tensão da fonte é aplicada na carga. VBE =V IB > 0 IC/IB <  VC≅9,8V carga VC=0,2V

17. VC=10V IC0mA VBE<0,7V VE=0V Transistor – Região de corte • Região de corte • Nesta região a corrente de base é nula. • Existe apenas nesta configuração uma pequena corrente de fuga do coletor. VBE < V IB = 0 IC IE 0

18. VC VC> VB IC VBE>0,7V VE=0V Transistor – Região ativa • Região ativa • Está região representa a operação normal do transistor. Nesta região o diodo emissor está polarizado diretamente e o diodo coletor inversamente polarizado. • Nesta região, o coletor captura praticamente todos os elétrons que o emissor está jogando na base. VBE =V IB > 0 IC/IB =   constante

19. Ponto de saturação – ponto onde a reta de carga intercepta a região de saturação das curvas do coletor. Ponto de corrente Ic máxima do circuito VCC=IC.RC+VCE Ponto Q(operação) Ponto de corte – corrente Ic mínima do circuito Transistor – Reta de carga - Polarização • A reta de carga possui todos os pontos de operação do circuito, considerando as características do transistor.

20. Transistor – curvas características

21. Polarização de amplificadores emissor comum Transistores BJT

22. Observe que a tensão de saída depende diretamente de  (ganho do transistor). BJT – Polarização de amplificadoresemissor comum Encontrar um ponto adequado de operação com o mínimo de Instabilidade possível • Parâmetros de instabilidade • temperatura • o ganho de corrente β pode • variar bastante entre transistores Vout=VCC-IC.RC, onde IC/IB=β Vout=VCC-β. IB.RC, com IB=(VIN-Vf)/RB => Vout=VCC-β.(RC /RB)(VIN-Vf) http://www.eng.fsu.edu/~ejaz/EEL3300L/lab8.pdf

23. Tensão de saída em função da tensão de entrada. Vout muda linearmente com a mudança de Vin, desde que os outros parâmetros são constantes.  BJT – Polarização de amplificadores emissor comum • Neste tipo de configuração a necessidade de mudança de transistores, por exemplo, o 2N3904, que pode ter ganho entre 130-200, pode acarretar mudanças significativas na amplificação do sinal. • Observe que a tensão de saída depende diretamente de  (ganho do transistor). • O transistor pode ir da região ativa para a de saturação. http://www.eng.fsu.edu/~ejaz/EEL3300L/lab8.pdf

24. 3,1 6,9 Transistor – Ponto de operação (região ativa) (mA) RB = 300K 10 V 10 V (V) Considere o circuito acima com VBE = 0,7V ;  = 100 IB = (10-0,7)V/300K= 31A IC = . IB => IC = 3,1 mA VCE = 10-IC.RC =>VCE = 10-3,1= 6,9 V

25. (Cálculo de IB) (Cálculo de VCE) Operação em Região ativa (Cálculo de IE) Laboratório Transistor - região ativa (Cálculo do ponto de Operação)

26. No ponto de operação: IB = 10 A IC = 1 mA VCE = 5 V IB = 10 A + 5 A 1.5 1.0 0.5 IB = 10 A - 5 A 2.5 5 7.5 Se IB varia, VBE também varia e conseqüentemente IC e VCE. Assim, com valor central no ponto de operação: IC + CE = 1.0 + 1.5 cos(t) VCE + VCE = 5.0 – 2.5 cos(t) Laboratório Se um sinal senoidal de amplitude 10A é aplicado à base com o transistor neste ponto de operação: IB + IB = 10 A + 5 cos(t)

27. Out O ponto de operação do circuito (ponto Q) pode ser calculado a partir do cálculo de RB, RC, VCC e ganho . Observamos que VCE depende de  diretamente. Polarização – (fonte de tensão comum) Calcular Vout (VCE) no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: In ?

28. Exemplo - Laboratório • Calcular no circuito abaixo os valores de RC, RB, considerando  = 100, VCC = 15 V, de forma que no ponto de polarização (Q), IC = 25 mA e VCE = 7.5 V. • Considerando os resultados obtidos acima, qual será o novo ponto Q quando  = 200.

29. considerando temos que: IB=(VIN-Vf-IE.RE)/RB Vf=VBE Assim, no ponto Q, Vout é dado por: BJT – Polarização de amplificadores emissor comum (realimentação no emissor) Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: Neste modelo de polarização observamos que o valor do parametro β não interfere significativamente se considerarmos certas relações entre RB e RE

30. Equivalente Thevenin Encontrar VBB e RBB BJT – Polarização com divisor de tensão Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: VIN VOUT

31. Resistência equivalente Tensão na base IB VBB VBE IB deve ser pequena para não afetar a polarização Considerando: IE IC  IB

32. =>    => Observe que VCE independe do ganho Polarização com realimentação • Em geral, devemos escolher um valor RBB <<  RE para termos uma condição de realimentação efetiva, ou seja, fazer com que a corrente do coletor, e conseqüentemente VCE, independam (muito) do ganho do transistor, assim:

33. Polarização com realimentação • Cálculo do valor para VE: • Observe que VBE pode variar (0.6 a 0.8 V) para o silício, principalmente com o aumento da temperatura. • Assim para que esta oscilação VBE não interfira no circuito de polarização, devemos fazer com que a tensão no emissor seja imune a está variação. Assim, se considerarmos a variação de 0.1 V, teríamos: Se VBE oscila em torno e 0.1 V, VE = IE.RE >> 0.1 V or VE > 10*0.1 = 1V

34. I1 = IC+IB , como IC>>IB I1  IC Se ou temos: Cálculo de VCE (verificação do ponto de operação) VBE BE BE BE Polarização Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: VOUT =VCE VIN Desde que IC é independente de  o ponto de operação é estável.

35. Laboratório • Projetar um circuito estável, com realimentação, com um ponto Q de IC = 2.5mA e VCE = 7.5V. Considere  entre 50 e 200. • Considere que o ponto Q se localiza no meio da curva da região ativa e que VCC = 2*VCE • Para: • na configuração realimentação simples via emissor; • na configuração realimentação divisor de tensão na base; • na configuração realimentação coletor-base. 2.5 7.5