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EletrônicaAula 04 - transistor
CIN-UPPE
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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 foi inventado em 1951, por Shockley.
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Transistor
O transistor substituiu as válvulas, anteriormente utilizadas como dispositivos amplificadores de sinais, mas que 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.
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Transistores Válvula Primeiro transistor de germânio
John Bardeen and Walter Brattain at Bell Laboratories.(1947)
PDP-8 Primeiro Microcomputador Em transistor(1965)
Primeiro transistor comercial em silício(1954)
4004 Primeiro Microcomputador Em CI (1971)
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Evolução dacomplexidadedos CIs
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Transistor
Tipos– BJT – Transistor de juncao bipolar
• Bipolar (elétrons e buracos)
– MOS – Metal Óxido Silício
• Unipolar (elétrons)
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Transistor de Junção (BJT) - NPN
E
C
B
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Transistor de Junção (BJT) - PNP
E
C
B
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Correntes no transistor
IE = IB + IC
Modelo convencional
IC
IE
IB
Modelo Real
IC
IE
IB
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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.
Transistor
α ≅ 0.95 α = IC / IE
IC e ligeiramente menor do que IE
O ganho de corrente de um transistor é definido como a correntedo coletor dividida pela corrente da base
β = IC / IB
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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.
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nãonãosimMudança de fase da tensão
3.1MΩ3.5KΩ200KΩResistência de saída
30KΩ580KΩ3.5KΩResistência de entrada
simsimsimGanho de corrente
simnãosimGanho de tensão
simsimsimGanho de potência
BCCCECCaracterísticas
Transistor - Configurações
Emisor comum Coletor comum Base comum
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Transistor – Emissor comum - características
IE = IB + IC
VCE = VC – VE
VCB = VC – VB
IB = (VBB - VBE )/RB
0.7V
Curva da base
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Transistor – Curvas do coletor
Tensão de ruptura
Joelho da curva
Região de saturação
VBE =VγIB > 0
IC/IB < β
Região de corte
VBE < VγIB = 0
IC≈ IE ≈ 0
Corrente IC constante
(região ativa) VBE =VγIB > 0
IC/IB = β ≈ constante
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Transistor – regiões de operação
Polarização direta
Polarização direta
Zona de saturação
Interruptores, Portas Lógicas,
Circuitos TTL, etc.
Polarização inversa
Polarização inversa
Zona de corte
AmplificadoresPolarização inversa
Polarização direta
Zona ativa
AplicaçõesJunção BC
(emissor-coletor)
Junção EB
(emissor-base)
Modo de operação
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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.
carga
VBE =VγIB > 0
IC/IB < β
VB=0,6V
VC=0,2V
VE=0V
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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 < VγIB = 0
IC≈ IE ≈ 0
VBE<0,7V
VC=10V
VE=0V
IC≈0mA
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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 o elétrons que o emissor está jogando na base.
VBE =VγIB > 0
IC/IB = β ≈ constante
VBE>0,7V
VC
VE=0V
IC
VC> VB
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Transistor – Reta de carga - Polarização A reta de carga possui todos os pontos de operação do circuito,
considerando as características do transistor.
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
Ponto de corte – corrente Ic mínima do circuito
Ponto Q
VCC=IC.RC+VCE
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Polarização de amplificadoresemissor comum
Transistores BJT
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BJT – Polarização de amplificadoresbase comum
http://www.eng.fsu.edu/~ejaz/EEL3300L/lab8.pdf
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)
Encontrar um ponto adequadode operação com o mínimo deInstabilidade possível
Parâmetros de instabilidade• temperatura• o ganho de corrente β pode variar bastante entre transistores
Observe que a tensão de saída depende diretamente de β (ganho do transistor).
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BJT – Polarização de amplificadoresbase 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 β (ganho do
transistor).
O transistor pode ir da região ativa para a de saturação.
http://www.eng.fsu.edu/~ejaz/EEL3300L/lab8.pdf
Tensão de saída em função da tensão de entrada. Voutmuda linearmente com a mudança de Vin, desde que os outros parâmetros são constantes.
β
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Transistor – Ponto de operação(região ativa)
10 V 10 V
Considere VBE = 0,7V ; β = 100
IB = (10-0,7)V/300KΩ= 31µA
IC = β. IB => IC = 3,1 mA
VCE = 10-IC.RC =>VCE = 10-3,1= 6,9 V
RB = 300KΩ
6,9
3,1
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Transistor - região ativa
Operação em Região ativa
Laboratório
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Se um sinal senoidal de amplitude 10µA é aplicado àbase com o transistor neste ponto de operação:IB + ∆IB = 10 µA + 5 cos(ωt)
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(ωt)VCE + ∆VCE = 5.0 – 2.5 cos(ωt)
5 7.52.5
10
5
15
No ponto de operação:IB = 10 µAIC = 1 mAVCE = 5 V
IB = 10 µA + 5 µA
IB = 10 µA - 5 µA
Laboratório
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Polarização – (fonte de tensão comum)
InOut
O ponto de operação do circuito (ponto Q) pode ser calculado a partir do cálculo de RB, RC, VCC e ganho β.
Observamos que VCE depende de β diretamente.
Calcular Vout (VCE) no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:
?
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Exemplo - Laboratório
Calcular no circuito abaixo os valores de RC, RB, considerando β = 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 β = 200.
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BJT – Polarização de amplificadores emissor comum (realimentação no emissor)
Assim, no ponto Q, Vout é dado por:
Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:
IB=(VIN-Vf-IE.RE)/RB
Neste modelo de polarização observamos que o valor do parametro β não Interfere significativamente se considerarmos certas relações entre RB e RE
considerandotemos que:
Vf=VBE
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BJT – Polarização com divisor de tensão
Equivalente Thevenin
Encontrar VBB e RBB
Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:
VOUT
VIN
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VBB VBE
Resistência equivalente
Considerando: IE≈ IC ≈ βIB
IB deve ser pequena para não afetar a polarização
Tensão na base
IB
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Polarização com realimentação Em geral, devemos escolher um valor RB << β 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:
≈=>
Observe que VCE independe do ganho
≈ ≈=>
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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
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Polarização
Se ou temos:
BE
I1 = IC+IB , como IC>>IB I1 ≅ IC
Desde que IC é independente de β o ponto de operação é estável.
Cálculo de VCE (verificação do ponto de operação)
BE BE
Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo:
VINVOUT =VCE
VBE
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Laboratório
Projetar um circuito estável, com realimentação, com um ponto Q de IC = 2.5mA e VCE = 7.5V. Considere β 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.
7.5
2.5