BIPOLAR-Eletronica-P1-4p-White aula 2 Eletrônica analógica

Prévia do material em texto

Transistores Bipolares de Junção 
(BJT)
TE214 Fundamentos da Eletrônica
Engenharia Elétrica
O nome transistor vem 
da frase “transferring 
an electrical signal 
across a resistor
Plano de Aula
• 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
• Visão geral sobre os transistores bipolares
• Compreender seus diferentes modos de 
operação
• Conhecer algumas aplicações básicas
Questões Chave
• Qual a estrutura de um transistor bipolar?
• Como uma transistor de junção bipolar opera?
• Quais são as principais dependências das 
correntes de terminal de um BJT no regime ativo 
direto?
Definições
• O BJT é um dispositivo de 3 terminais
– 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). 
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.
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:
)1(  TBE VVSE eIi
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).
• 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. 
• 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
A tensão entre dois terminais controla a 
corrente através do terceiro terminal.
Este é o princípio básico do BJT!
(efeito transistor)!
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 aplicando a LCK obtemos:
• Então, das equações anteriores, o relacionamento entre 
as correntes de emissor e base:
BC ii 
BCE iii 
BE ii )1( 
β depende da largura da região 
da base e das dopagens 
relativas das regiões da base e 
do emissor.
Operação no Modo Ativo Direto
• e equivalentemente
• A fração é chamada de α e iE pode ser escrita como:
• Para transistores de interesse, β = 100 que corresponde a α = 0.99 e 
iC  iE
• 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.
EC ii 



1


1
T
BE
V
v
S
E e
Ii


Operação no Modo Ativo Direto
• Modelo de circuito equivalente
Operação no Modo Ativo Direto
• A direção das correntes e as polaridades das 
tensões para NPN e PNP.
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
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. 
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 Coletor-
Base é polarizada 
diretamente.IC atinge o 
máximo, que é independente 
de IB e β. Sem controle. VCE < 
VBE
• Região Ativa: junção Base-
Emissor diretamente 
polarizada, junção Coletor-
Base 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
– 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 .
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
– Uma vez “ligado”, ainda não 
sabemos se ele está operando 
na região ativa ou saturação
B
BEi
B R
VvI 
Aplicações do BJT
• Como Chave (cont.)
– Entretanto, aplicando LTK no laço C-E, temos:
ou
– A equação acima é a equação 
da linha de carga para este 
circuito.
– Note que VCE = Vo
CCCCCE
CECCCC
RIVV
VRIV

 0
Aplicações do BJT
• Como Chave (cont.)
– Equação da linha de carga:
CCCCCE RIVV 
Aplicações do BJT
• Lógica Digital
– Circuito inversor básico
– 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.
Aplicações do BJT
• Exercício: Lógica Digital
– Para o circuito abaixo, complete a tabela lógica 
V1 V2 Vo
Alto Baixo
Baixo Alto
Baixo Baixo
Alto Alto
Aplicações do BJT
• Como Amplificador
– 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.
Aplicações do BJT
• Como Amplificador (cont.)
– Curva de transferência de tensão
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., DispositivosEletrônicos e Teoria de Circuitos, 6a. Edição, Editora 
PHB, 1998.
Próxima Aula
• Circuitos para polarização de BJTs
• Análise DC