aula 04 - Eletrônica

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Eletrônica 
Aula 04 - transistor 
CIN-UPPE 
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 (Germânio) foi inventado em 1951, 
por Shockley. 
Transistor 
  O transistor substituiu as válvulas, anteriormente utilizadas 
como dispositivos amplificadores de sinais, as quais 
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. 
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) 
Evolução da 
complexidade 
dos CIs 
Transistor 
  Tipos 
–  BJT – Transistor de junção (bipolar) 
•  Bipolar (elétrons e buracos) 
–  MOS – Metal Óxido Silício 
•  Unipolar (elétrons) 
Transistor de Junção (BJT) - NPN 
E 
C 
B 
Transistor de Junção (BJT) - PNP 
E 
C 
B 
Correntes no transistor 
  IE = IB + IC 
Modelo convencional 
IC 
IE 
IB 
Modelo Real 
IC 
IE 
IB 
  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 corrente 
do coletor dividida pela corrente da base 
 β = IC / IB 
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. 
Características EC CC BC 
Ganho de potência sim sim sim 
Ganho de tensão sim não sim 
Ganho de corrente sim sim sim 
Resistência de entrada 3.5KΩ 580KΩ 30KΩ 
Resistência de saída 200KΩ 3.5KΩ 3.1MΩ 
Mudança de fase da tensão sim não não 
Transistor - Configurações 
Emisor comum Coletor comum Base comum 
Transistor – Emissor comum - características 
  IE = IB + IC 
  VCE = VC – VE 
  VCB = VC – VB 
IB = (VIN - VBE )/RB 
0.7V 
Curva da base out 
VBE 
Transistor – Curvas do coletor 
Tensão de ruptura 
Joelho da curva 
Região de saturação 
VBE =Vγ 
IB > 0 
IC/IB < β 
Região de corte 
VBE < Vγ 
IB = 0 
IC≈ IE ≈ 0 
Corrente IC constante 
 (região ativa) VBE =Vγ 
IB > 0 
IC/IB = β ≈ constante 
IB = (VIN - VBE )/RB 
0.7V 
Curva da base 
C 
E 
B 
Transistor – regiões de operação 
Modo de 
operação 
Junção EB 
(emissor-base) 
Junção BC 
(emissor-coletor) 
Aplicações 
Zona ativa Polarização 
direta 
Polarização 
inversa 
Amplificadores 
Zona de corte Polarização 
inversa 
Polarização 
inversa 
Interruptores, 
Portas Lógicas, 
Circuitos TTL, 
etc. Zona de 
saturação 
Polarização 
direta 
Polarização 
direta 
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 =Vγ 
IB > 0 
IC/IB < β 
VB=0,6V 
VC=0,2V 
VE=0V 
VC=0,2V 
VC≅9,8V 
IC = IB*βmA 
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 < Vγ 
IB = 0 
IC≈ IE ≈ 0 
VBE<0,7V 
VC=10V 
VE=0V 
IC≈0mA 
Transistor – Região ativa 
  Região ativa 
–  Está região representa a operação normal do transistor. Nesta 
região o diodo base-emissor está polarizado diretamente e o diodo 
base-coletor inversamente polarizado. 
–  Nesta região, o coletor captura praticamente todos os elétrons que 
o emissor está jogando na base. 
VBE =Vγ 
IB > 0 
IC/IB = β ≈ constante 
VBE>0,7V 
VC 
VE=0V 
IC 
VC> VB 
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(operação) 
VCC=IC.RC+VCE 
Transistor – curvas características 
VOUT=VCE=VCC-IC.RC 
VBE 
VCE 
Polarização de amplificadores 
 emissor comum 
Transistores BJT 
BJT – Polarização de amplificadores 
emissor 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 adequado 
de operação com o mínimo de 
Instabilidade 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). 
  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. 
Transistor – Ponto de operação 
(região ativa) 
10 V 10 V 
Cálculo do ponto de operação do circuito: 
Considere o circuito acima com 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 
(mA) 
(V) 
Curva de carga 
 VCE = VCC-IC.RC 
(Cálculo de IB) (Cálculo de VCE) 
Transistor - região ativa 
(Cálculo do ponto de Operação) 
Operação em 
Região ativa 
(Cálculo de IE) 
Laboratório 
Se um sinal senoidal de 
amplitude 10µA é aplicado à 
base com o transistor neste 
ponto de operação: 
IB + ΔIB = 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 + ΔCE = 1.0 + 1.5 cos(ωt) 
VCE + ΔVCE = 5.0 – 2.5 cos(ωt) 
5 7.5 2.5 
1.0 
0.5 
1.5 
No ponto de operação: 
IB = 10 µA 
IC = 1 mA 
VCE = 5 V 
IB = 10 µA + 5 µA 
IB = 10 µA - 5 µA 
Laboratório 
Polarização – (fonte de tensão comum) 
In Out 
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: 
?
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) nocircuito abaixo: 
VIN 
VOUT =VCE 
VBE 
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 
considerando 
temos que: 
Vf=VBE 
Como 
Substituindo IE em IB, temos que: 
 IB=(VIN-Vf)/(RB+(Bf+1)RE) 
Como então: 
BJT – Polarização com divisor de tensão 
Equivalente Thevenin 
Encontrar VBB e RBB 
Calcular VOUT no ponto de operação (Q) no circuito abaixo: 
VOUT 
VIN 
VBB VBE 
Resistência equivalente 
Considerando: IE≈ IC ≈ βIB 
IB deve ser pequena para não afetar a polarização 
Tensão na base 
IB 
Polarização com realimentação 
  Em geral, devemos escolher um valor RBB << 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: 
 considerando RBB << β RE => 
≈ => 
Observe que VCE independe do ganho 
Assim, 
≈ Como Ic= βIB => = 
Análise CC – estabilidade do circuito 
  Estabilidade do circuito: utilização do do resistor no emissor (RE) 
 VBB = RBBIB+VBE+IERE 
constante 
constante 
Se IE aumenta, então VE = REIE também aumenta. Mas, desde 
que VBB e RB não mudam na malha BE, IB deveria diminuir, reduzindo 
assim o valor de IC para seu valor original de projeto e o circuito tende 
a estabilidade. 
Se IC diminui IB aumenta. 
VBE 
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; 
Considere portanto VE em torno 10VBE ou seja VE= 10*0.1 = 1.0V 
Exemplo CC 
  Projete um circuito estável com um ponto Q de IC = 5.0 mA e 
VCE = 7.5 V. Considere β =100. 
Q (ponto de operação) 
+15 V 
  Análise 
  Encontrar RC, RE, R1, R2 
  Considerações 
–  Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga: 
•  VCC= 2VCE= 2x7.5V = 15.0 V 
  Encontrar RC e RE 
– Encontrar equação de tensão da malha CE 
• VCE = VCC-IC(RC+RE ) => RC+RE = 7.5/(5.0x10-3) 
 RC+RE = 1.5K Ω 
•  A escolha é livre, mas devemos assegurar que 
 VE=IE.RE > 1V 
Assim, RE > 1/IE . Como IE ≈ IC, RE > 200 Ω 
Se fizermos RE = 220 Ω, RC= 1.2K Ω 
= 220 Ω 
= 1.2 KΩ 
+15V 
  Exercício: Encontrar R1 e R2 
Cálculo de R1 e R2 
Como IB=IC/β => IB= 5/100=0.05mA 
Considerando 
I1 =I2 ≅ 10*IB= 0.5mA 
Com 
VBB =VBE+IERE 
VBB =0.7+ 0.005*220 
VBB = 1.8 V 
R1 = (Vcc-VBB)/I1, assim, 
R1 = (15-1.8)/0.0005 => 
R1 = 26.4 KΩ 
R2 = (VBB)/I1, assim, 
R2 = (1.8)/0.0005 => 
R2 = 3.6 KΩ