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 Transistores Bipolares de Junção – Parte III 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. 2/8 Transistores Bipolares de Junção – Parte III • 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 Transistores Bipolares de Junção – Parte III Modelos do TBJ saturado Figuras 4.49 e 4.50 • Exemplos 4.13, 4.14, 4.15 e 4.16. 4/8 Transistores Bipolares de Junção – Parte III 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). 5/8 Transistores Bipolares de Junção – Parte III 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 Transistores Bipolares de Junção – Parte III 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. 7/8 Transistores Bipolares de Junção – Parte III • 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. 8/8