Transistores Bipolares de Juno (BJT)
TE214 Fundamentos da EletrnicaEngenharia Eltrica
O nome transistor vem da frase transferring an electrical signal across a resistor
Plano de Aula
Contextualizao Objetivo Definies e Estrutura Caractersticas Tenso-Corrente Modos de Operao Aplicaes Bsicas Concluses
Contextualizao
Onde os transistores bipolares so usados?
Veja mais exemplos em: www.nxp.com bipolar transistors application notes
Objetivo
Viso geral sobre os transistores bipolares
Compreender seus diferentes modos de operao
Conhecer algumas aplicaes bsicas
Questes Chave
Qual a estrutura de um transistor bipolar?
Como uma transistor de juno bipolar opera?
Quais so as principais dependncias das correntes de terminal de um BJT no regime ativo direto?
Definies
O BJT um dispositivo de 3 terminais Dois tipos diferentes: npn e pnp.
Os smbolos do BJT e seus diagramas de bloco correspondentes:
Os BJTs tem 2 junes (fronteira entre as regies n e p).
Estrutura
Por enquanto suficiente dizer que a estrutura mostrada na figura anterior no simtrica.
As regies n e p so diferentes tanto geometricamente quanto em termos de concentrao de dopagem.
Por exemplo, a concentrao de dopagem no coletor, base e emissor devem ser 1015, 1017 e 1019 respectivamente.
Portanto, o comportamento do dispositivo no eletricamente simtrico e as duas terminaes no podem ser permutados.
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 Operao
Como cada juno possui dois modos de polarizao (direta ou reversa), o BJT com suas duas junes tm 4 modos possveis de operao.
Ativa Direta: dispositivo tem boa isolao e alto ganho regime mais til;
Saturao: dispositivo no tem isolao e inundado com portadores minoritrios). Leva tempo para sair da saturao evitar!
Ativa Reversa: ganho baixo pouco til;
Corte: corrente desprezvel: quase um circuito aberto til;
Operao no Modo Ativo Direto
Considerando o circuito abaixo:
A juno Base-Emissor (B-E) polarizada diretamente
A juno Base-Coletor (B-C) polarizada reversamente.
A corrente atravs da juno B-E est relacionada a tenso B-E por:
)1( TBE VVSE eIi
Operao no Modo Ativo Direto
Operao no Modo Ativo Direto
Devido as grandes diferenas de dopagem das regies do emissor e da base, os eltrons injetados na regio da base (da regio do emissor) resulta na corrente do emissor (iE).
Alm disso o nmero de eltrons injetados na regio do coletor diretamente relacionado aos eltrons injetados na regio de base a partir da regio do emissor.
Portanto, a corrente de coletor est relacionada a corrente do emissor que conseqentemente uma funo da tenso B-E.
Operao no Modo Ativo Direto
A tenso entre dois terminais controla a corrente atravs do terceiro terminal.
Este o princpio bsico do BJT!(efeito transistor)!
iC controlada por vBE, independente de vBC
Operao no Modo Ativo Direto
A corrente de coletor e a corrente de base esto relacionadas por:
e aplicando a LCK obtemos:
Ento, das equaes anteriores, o relacionamento entre as correntes de emissor e base:
BC ii
BCE iii
BE ii )1( depende da largura da regio da base e das dopagens relativas das regies da base e do emissor.
Operao no Modo Ativo Direto
e equivalentemente
A frao chamada de e iE pode ser escrita como:
Para transistores de interesse, = 100 que corresponde a = 0.99 e iC iE
BJTs estado-da-arte atuais: iC ~ 0,1 1mA, ~ 50 300.
difcil de controlar rigorosamente. Tcnicas de projeto de circuito so necessrias para insensitividade variaes em .
EC ii
1
1
TBE
Vv
SE e
Ii
Operao no Modo Ativo Direto
Modelo de circuito equivalente
Operao no Modo Ativo Direto
A direo das correntes e as polaridades das tenses para NPN e PNP.
Caractersticas Tenso-Corrente
Trs tipos diferentes de tenses envolvidas na descrio de transistores e circuitos. So elas: Tenses das fontes de alimentao:VCC e VBB Tenses nos terminais dos transistores:VC , VB e VE Tenses atravs das junes: VBE , VCE e VCB
Caractersticas Tenso-Corrente
Os 3 terminais dos transistores e as duas junes, apresentam mltiplos regimes de operao
Para distinguir estes regimes, temos que olhar as caractersticas tenso-corrente do dispositivo.
A caracterstica mais importante do BJT a o traado da corrente de coletor (IC) versus a tenso coletor emissor (VCE), para vrios valores da corrente de base IB.
Caractersticas Tenso-Corrente
Curva caracterstica qualitativa do BJT. O grfico indica as 4 regies de operao: saturao,
corte, ativa e ruptura.
Caractersticas Tenso-Corrente
Regio de Corte (cutoff): juno Base-Emissor polarizada reversamente. No h fluxo de corrente.
Regio de Saturao: juno Base-Emissor polarizada diretamente, juno Coletor-Base polarizada diretamente.IC atinge o mximo, que independente de IB e . Sem controle. VCE < VBE
Regio Ativa: juno Base-Emissor diretamente polarizada, juno Coletor-Base polarizada reversamente. Controle, IC = IB . VBE < VCE < VCC
Regio de Ruptura (Breakdown): IC e VCEexcedem as especificaes. Dano ao transistor.
Aplicaes do BJT
Como Chave Se a tenso vi for menor que a tenso necessria para
polarizao direta da juno EB, ento IB=0 e o transistor est na regio de corte e IC=0. Como IC=0, a queda de tenso sobre RC 0 e ento Vo=VCC .
Aplicaes do BJT
Como Chave (cont.) Se a tenso vi aumenta de modo que a tenso VBE polariza
diretamente a juno BE, o transistor ligar e
Uma vez ligado, ainda no sabemos se ele est operando na regio ativa ou saturao
B
BEiB R
VvI
Aplicaes do BJT
Como Chave (cont.) Entretanto, aplicando LTK no lao C-E, temos:
ou
A equao acima a equao da linha de carga para este circuito.
Note que VCE = Vo
CCCCCE
CECCCC
RIVV
VRIV
0
Aplicaes do BJT
Como Chave (cont.) Equao da linha de carga:
CCCCCE RIVV
Aplicaes do BJT
Lgica Digital Circuito inversor bsico
Se a tenso vi for zero (baixa) o transistor est na regio de corte, a corrente IC=0 e a tenso Vo=VCC (alta).
Por outro lado, se a tenso vi for alta, igual a VCC, por exemplo, o transistor levado a saturao e a sada igual a VCE(sat) que baixa.
Este circuito a base para construirmos qualquer outra operao lgica.
Aplicaes do BJT
Exerccio: Lgica Digital
Para o circuito abaixo, complete a tabela lgica
V1 V2 VoAlto Baixo
Baixo Alto
Baixo Baixo
Alto Alto
Aplicaes do BJT
Como Amplificador
O circuito inversor bsico tambm forma o circuito amplificador bsico.
A curva de transferncia de tenso (tenso de sada em funo da tenso de entrada) a caracterizao fundamental de um amplificador
Aplicaes do BJT
Como Amplificador (cont.) Curva de transferncia de tenso
Note a grande inclinao da curva no modo ativo.
Uma pequena mudana na tenso de entrada vi induz uma grande mudana na tenso de sada Vo uma amplificao.
Aplicaes do BJT
Como Amplificador (cont.) Curva de transferncia de tenso
Principais Concluses
O emissor injeta eltrons na base O coletor coleta eltrons da base A base injeta lacunas no emissor
IC controlada por VBE, independente de VBC (efeito transistor)
Modo Ativo Direto: mais til, dispositivo tem ganho e isolao.
Saturao: dispositivo inundado com portadores minoritrios. No til.
Corte: dispositivo aberto. til.
Referncias
SEDRA, A. S. e SMITH, K. C., Microeletrnica, 5a. Edio, Makron Books, 2005.
BOYLESTAD, R. L. e NASHELSKY, L., Dispositivos Eletrnicos e Teoria de Circuitos, 6a. Edio, Editora PHB, 1998.
Prxima Aula
Circuitos para polarizao de BJTs Anlise DC
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