Transistores Bipolares de Junção (BJT) - Engenharia Eletrica

Transistores Bipolares de Junção
(BJT)
O nome transistor vem
da frase “transferring
an electrical signal
across a resistor
TE214 Fundamentos da Eletrônica
Engenharia Elétrica
Plano de Aula
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Contextualização
Objetivo
Definições e Estrutura
Características Tensão-Corrente
Modos de Operação
Aplicações Básicas
Conclusões
Contextualização
• Onde os transistores bipolares são usados?
• Veja mais exemplos em: www.nxp.com  bipolar
transistors  application notes
Objetivo
Questões Chave
• Visão geral sobre os transistores bipolares
• Qual a estrutura de um transistor bipolar?
• Compreender seus diferentes modos de
operação
• Como uma transistor de junção bipolar opera?
• Conhecer algumas aplicações básicas
Definições
•
O BJT é um dispositivo de 3 terminais
• Quais são as principais dependências das
correntes de terminal de um BJT no regime ativo
direto?
Estrutura
•
Por enquanto é suficiente dizer que a estrutura mostrada na figura
anterior não é simétrica.
•
As regiões n e p são diferentes tanto geometricamente quanto em
termos de concentração de dopagem.
•
Por exemplo, a concentração de dopagem no coletor, base e
emissor devem ser 1015, 1017 e 1019 respectivamente.
•
Portanto, o comportamento do dispositivo não é eletricamente
simétrico e as duas terminações não podem ser permutados.
– Dois tipos diferentes: npn e pnp.
•
•
Os símbolos do BJT e seus diagramas de bloco correspondentes:
Os BJTs tem 2 junções (fronteira entre as regiões n e p).
Atividade Extra-Classe: Ler sobre a estrutura do BJT. Sedra, Cap.5,
Sec. 5.1 a 5.3 / Boylestad Cap.3, Sec. 3.1 a 3.3
Estrutura
Modos de Operação
•
Como cada junção possui dois modos de polarização (direta ou
reversa), o BJT com suas duas junções têm 4 modos possíveis de
operação.
– Ativa Direta: dispositivo tem boa
isolação e alto ganho  regime mais
útil;
– Saturação: dispositivo não tem
isolação e é inundado com
portadores minoritários). Leva tempo
para sair da saturação  evitar!
– Ativa Reversa: ganho baixo  pouco
útil;
– Corte: corrente desprezível: quase
um circuito aberto  útil;
Operação no Modo Ativo Direto
• Considerando o circuito abaixo:
– A junção Base-Emissor (B-E)
é polarizada diretamente
– A junção Base-Coletor (B-C)
é polarizada reversamente.
– A corrente através da junção
B-E está relacionada a
tensão B-E por:
iE  I S (eVBE
VT
 1)
Operação no Modo Ativo Direto
Operação no Modo Ativo Direto
Operação no Modo Ativo Direto
• Devido as grandes diferenças de dopagem das regiões
do emissor e da base, os elétrons injetados na região da
base (da região do emissor) resulta na corrente do
emissor (iE).
A tensão entre dois terminais controla a
corrente através do terceiro terminal.
• Além disso o número de elétrons injetados na região do
coletor é diretamente relacionado aos elétrons injetados
na região de base a partir da região do emissor.
Este é o princípio básico do BJT!
(efeito transistor)!
• Portanto, a corrente de coletor está relacionada a
corrente do emissor que é conseqüentemente uma
função da tensão B-E.
Operação no Modo Ativo Direto
iC controlada por vBE, independente de vBC
Operação no Modo Ativo Direto
• A corrente de coletor e a corrente de base estão
relacionadas por:
•
e equivalentemente
iC  iB
•
e aplicando a LCK obtemos:
iE  iC  iB
•
• Então, das equações anteriores, o relacionamento entre
as correntes de emissor e base:
iE  (1   )iB
β depende da largura da região
da base e das dopagens
relativas das regiões da base e
do emissor.
iC 

1 
iE

é chamada de α e iE pode ser escrita como:
v BE
I
iE  S e VT

Para transistores de interesse, β = 100 que corresponde a α = 0.99 e
iC  iE
A fração
1 
•
BJTs estado-da-arte atuais: iC ~ 0,1 − 1mA, β ~ 50 − 300.
•
β é difícil de controlar rigorosamente. Técnicas de projeto de circuito
são necessárias para insensitividade à variações em β.
Operação no Modo Ativo Direto
• Modelo de circuito equivalente
Características Tensão-Corrente
• Três tipos diferentes de tensões envolvidas na
descrição de transistores e circuitos. São elas:
– Tensões das fontes de alimentação:VCC e VBB
– Tensões nos terminais dos transistores:VC , VB e VE
– Tensões através das junções: VBE , VCE e VCB
Operação no Modo Ativo Direto
• A direção das correntes e as polaridades das
tensões para NPN e PNP.
Características Tensão-Corrente
• Os 3 terminais dos transistores e as duas junções,
apresentam múltiplos regimes de operação
• Para distinguir estes regimes, temos que olhar as
características tensão-corrente do dispositivo.
• A característica mais importante do BJT é a o traçado da
corrente de coletor (IC) versus a tensão coletor – emissor
(VCE), para vários valores da corrente de base IB.
Características Tensão-Corrente
• Curva característica qualitativa do BJT.
• O gráfico indica as 4 regiões de operação: saturação,
corte, ativa e ruptura.
Aplicações do BJT
• Como Chave
– Se a tensão vi for menor que a tensão necessária para
polarização direta da junção EB, então IB=0 e o
transistor está na região de corte e IC=0. Como IC=0, a
queda de tensão sobre RC é 0 e então Vo=VCC .
Características Tensão-Corrente
•
Região de Corte (cutoff):
junção Base-Emissor é
polarizada reversamente. Não
há fluxo de corrente.
•
Região de Saturação: junção
Base-Emissor polarizada
diretamente, junção ColetorBase é polarizada
diretamente.IC atinge o
máximo, que é independente
de IB e β. Sem controle. VCE <
VBE
•
Região Ativa: junção BaseEmissor diretamente
polarizada, junção ColetorBase polarizada reversamente.
Controle, IC = β IB . VBE < VCE <
VCC
•
Região de Ruptura
(Breakdown): IC e VCE
excedem as especificações.
Dano ao transistor.
Aplicações do BJT
• Como Chave (cont.)
– Se a tensão vi aumenta de modo que a tensão VBE polariza
diretamente a junção BE, o transistor ligará e
IB 
vi  VBE
RB
– Uma vez “ligado”, ainda não
sabemos se ele está operando
na região ativa ou saturação
Aplicações do BJT
Aplicações do BJT
• Como Chave (cont.)
• Como Chave (cont.)
– Entretanto, aplicando LTK no laço C-E, temos:
ou
VCC  I C RC  VCE  0
– Equação da linha de carga:
VCE  VCC  I C RC
VCE  VCC  I C RC
– A equação acima é a equação
da linha de carga para este
circuito.
– Note que VCE = Vo
Aplicações do BJT
Aplicações do BJT
• Lógica Digital
• Exercício: Lógica Digital
– Circuito inversor básico
– Para o circuito abaixo, complete a tabela lógica
– Se a tensão vi for zero (baixa) o
transistor está na região de
corte, a corrente IC=0 e a tensão
Vo=VCC (alta).
– Por outro lado, se a tensão vi for
alta, igual a VCC, por exemplo, o
transistor é levado a saturação e
a saída é igual a VCE(sat) que é
baixa.
Este circuito é a base para
construirmos qualquer
outra operação lógica.
V1
V2
Alto
Baixo
Baixo
Alto
Baixo
Baixo
Alto
Alto
Vo
Aplicações do BJT
• Como Amplificador
Aplicações do BJT
• Como Amplificador (cont.)
– Curva de transferência de tensão
– O circuito inversor básico também forma
o circuito amplificador básico.
– A curva de transferência de tensão
(tensão de saída em função da tensão
de entrada) é a caracterização
fundamental de um amplificador
Aplicações do BJT
• Como Amplificador (cont.)
– Curva de transferência de tensão
– Note a grande inclinação da
curva no modo ativo.
– Uma pequena mudança na
tensão de entrada vi induz uma
grande mudança na tensão de
saída Vo – uma amplificação.
Principais Conclusões
• O emissor “injeta” elétrons na base
• O coletor “coleta” elétrons da base
• A base “injeta” lacunas no emissor
• IC controlada por VBE, independente de VBC (efeito
transistor)
• Modo Ativo Direto: mais útil, dispositivo tem ganho e
isolação.
• Saturação: dispositivo inundado com portadores
minoritários. Não é útil.
• Corte: dispositivo aberto. Útil.
Referências
• SEDRA, A. S. e SMITH, K. C., Microeletrônica, 5a.
Edição, Makron Books, 2005.
• BOYLESTAD, R. L. e NASHELSKY, L., Dispositivos
Eletrônicos e Teoria de Circuitos, 6a. Edição, Editora
PHB, 1998.
Próxima Aula
• Circuitos para polarização de BJTs
• Análise DC