Transistores Bipolares de Junção (TBJs) – Parte III

Transistores Bipolares de Junção – Parte III
Transistores Bipolares de Junção (TBJs) – Parte III
Capítulo 4 de (SEDRA e SMITH, 1996).
SUMÁRIO
4.12. O Transistor como Chave – O Corte e a Saturação
4.14. O Inversor Lógico Básico Empregando TBJ
4.12. O TRANSISTOR COMO CHAVE
Figura 4.47 – Circuito usado para ilustrar os modos de operação do TBJ.
A Região de Corte
• Para vI < 0,5 V, uma corrente desprezível atravessa a JBE, que pode ser
considerada reversamente polarizada.
• JCB também está reversamente polarizada, pois a tensão do coletor está maior que
da base.
• Assim, o transistor está em corte:
iB = 0
iE = 0
iC = 0
1/8
vC = VCC
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A Região Ativa
• Para uma corrente apreciável atravessar JBE deve-se fazer vI ≥ 0,7 V.
• A corrente de base é calculada por:
iB =
v I − VBE v I − 0,7
≅
RB
RB
• A corrente de coletor é calculada por:
iC = βiB
• A garantia de que o transistor está na região ativa é uma tensão positiva entre
coletor e a base (JBE reversamente polarizado):
vCB ≥ 0
A Região de Saturação
• A saturação ocorre quando se tenta forçar uma corrente no coletor maior do
que o circuito do coletor é capaz de fornecer enquanto mantém-se a operação
no modo ativo.
• A corrente máxima que o coletor pode exigir sem que o transistor saia do modo
ativo é determinada fazendo vCB = 0:
Î C =
VCC − VBE VCC − 0,7
≅
RC
RC
• Essa corrente de coletor é obtida forçando a corrente de base:
Î B =
Î C
β
• Se iB é aumentada além de Î B , a corrente de coletor aumentará e a tensão de
coletor cairá para um valor abaixo da tensão da base.
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• Isso continuará até que a JCB torne-se diretamente polarizada, com
− 0,4V ≤ v CB ≤ −0,6V .
• Nesta condição a JCB conduz e a tensão de coletor fica cerca de 0,5V abaixo
da tensão de base.
• A queda de tensão direta na junção coletor-base é pequena porque a JCB
possui uma área relativamente grande.
• O transistor está em saturação, qualquer aumento da corrente de base resulta
em um aumento muito pequeno na corrente de coletor.
• A razão entre as correntes de coletor e de base em um transistor em saturação
não é igual a β, e pode ser ajustada a um valor desejado, menor que β.
• O valor de VBE em saturação é um pouco maior que no transistor no modo
ativo (entretanto ainda se considera aqui VBE ,sat ≅ 0,7V ).
• Na saturação tem-se 0,1V ≤ v CE ≤ 0,3V , define-se assim VCE ,sat ≅ 0,2V .
• Se o transistor é levado a uma saturação intensa, aumenta-se a polarização
direta de JCB, e VCE,sat diminui, conseqüentemente.
• A corrente de coletor na saturação é calculada por I C,sat =
VCC − VCE ,sat
RC
.
• Para garantir a saturação, deve-se forçar a corrente de base como sendo pelo
menos I B( EOS) =
I C,sat
β
(EOS – Edge of Saturation – Início de Saturação).
• O fator de saturação forçado (overdrive factor) é o fator multiplicativo do valor
de IB(EOS) em que se mantém IB para se garantir a saturação, usualmente 2 a 10
vezes.
• A razão entre IC,sat e IB na saturação é chamada de β forçado (βforçado), e é um
valor imposto ao circuito:
β forçado =
3/8
I C,sat
IB
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Modelos do TBJ saturado
Figuras 4.49 e 4.50
• Exemplos 4.13, 4.14, 4.15 e 4.16.
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4.14. O INVERSOR LÓGICO BÁSICO EMPREGANDO TBJ
Figura 4.60 – Inversor lógico básico empregando TBJ.
• O inversor lógico utiliza os modos de saturação e corte do transistor.
• Com vI alto (perto de VCC), o transistor conduz saturado, v O = VCE ,sat ≈ 0V .
• Com vI baixo (perto de zero ou VCE,sat) o transistor está em corte, v O ≈ VCC .
• Numa lógica positiva, o circuito funciona como um inversor.
o Nível de tensão alto corresponde ao nível lógico 1 (verdadeiro).
o Nível de tensão baixo corresponde ao nível lógico 0 (falso).
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Característica de transferência de tensão
Figura 4.61 – Característica de transferência de tensão para o circuito da figura 4.60
com RB = 10kΩ, β = 50 e VCC = 5V.
• Para vI = VCE,sat = 0,2V, vO = VOH = 5V.
• Para vI = VIL, o transistor inicia a condução, portanto VIL ≅ 0,7V.
• Para VIL < vI < VIH, o transistor está na região ativa, operando como um
amplificador com ganho para pequenos sinais de
Av ≡
vo
RC
R
1
= −β
≅ −β C = −50 × = −5V / V
vi
R B + rπ
RB
10
• Para vI = VIH, o transistor entra em saturação e
VCC − VCE ,sat
I B = I B(EOS) =
RC
β
6/8
= 0,0096mA
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VIH = I B(EOS )R B + VBE = 1,66V
• Para vI = VOH = 5V, o transistor está fortemente saturado com:
v O = VCE ,sat ≅ 0,2V
VCC − VCE ,sat
β forçado =
RC
4,8
=
= 1,1
VOH − VBE
0,43
RB
• Margens de ruído:
MR H = VOH − VIH = 5 − 1,66 = 3,34V
MR L = VIL − VOL = 0,7 − 0,2 = 0,5V
• O ganho de tensão na região de transição é:
VOL − VOH
0,2 − 5
=
= −5V / V
VIH − VIL 1,66 − 0,7
(por coincidência, igual ao valor aproximado encontrado anteriormente)
• Exemplo: Implementar o circuito mostrado no simulador de circuitos, e
observar vO quando vI é uma onda quadrada que assume valores de 0V e 5V.
Observar vO sobrepondo um sinal de ruído com 0,1V (e 1V) de pico à
quadrada.
Portas lógicas
• Análise de uma porta nou e uma porta nand utilizando a tecnologia RTL
(Resistor Transistor Logic).
Circuitos Digitais com TBJ Saturado e Não-Saturado
• Uma família importante de circuitos lógicos com TBJ saturado é a família TTL
(Transistor Transistor Logic).
• Há uma limitação de velocidade em circuitos que usam TBJ saturados, pois é
necessário um tempo relativamente longo para cortar o transistor saturado.
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• Para atingir a velocidades de resposta elevadas, o transistor não deve entrar em
saturação.
• Esse é o caso da lógica ECL (Emitter-Coupled Logic).
REFERÊNCIAS
SEDRA, Adel S. e SMITH, Kenneth S. Capítulo 3 – Diodos, em Microeletrônica. 4a.
Edição. Makron Books Ltda, São Paulo, 1998.
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