Eletrônica II
Germano Maioli Penello
[email protected]
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Eletronica II _ 2015-1.html
Aula 11
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Transistor de junção bipolar
Da mesma forma que vimos o MOSFET, apresentaremos agora o BJT
•
Estrutura física
•
Como a tensão entre dois terminais controla a corrente e qual a
equação que descreve esta relação IxV
•
Como analisar e projetar circuitos com BJT
•
Como construir um amplificador linear
•
Configurações de amplificadores
•
Circuitos com componentes discretos.
2
BJT
Inventado em 1948 na Bell Labs, deu início a era dos dispositivos de estado sólido.
Por três décadas foi o dispositivo utilizado em circuitos discretos e integrados. Em
torno de 1980, o MOSFET começa a ser um competidor a altura.
Hoje em dia o MOSFET domina, ficando o BJT mais restrito a aplicações
específicas, p.e., circuitos em condições extremas em aplicações automotivas,
frequencias extremamentes altas, …
Tecnologia BiCMOS junta os dois tipos de transistores aproveitando a alta
impedância de entrada e baixa dissipação do MOSFET com a alta frequência de
operação e alta corrente do BJT
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BJT – estrutura física
Três terminais: emissor (E), base (B) e coletor (C)
Duas junções pn:
Junção emissor-base (EBJ)
Junção coletor-base (CBJ)
npn
Diferentemente do MOSFET,
portadores de carga positivos e
negativos são importantes na
análise! Por isso termo bipolar
no nome.
pnp
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BJT – estrutura física
Polarização das junções
Duas junções pn:
Junção emissor-base (EBJ)
Junção coletor-base (CBJ)
Ver modelo de
Ebers-Moll
A região ativa é utilizada para construit um amplificador
As regiões de saturação (não confundir com o MOSFET!) e corte são
utilizadas para chaveamento
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BJT – região ativa
VBE – polarização direta na junção EB
VCB – polarização reversa na junção CB
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BJT – região ativa
VBE gera corrente na EBJ.
Elétrons - emissor  base
Buracos (lacunas) - base  emissor
É desejável ter a corrente de elétrons maior que a de buracos.
Dopagem do emissor > dopagem da base
Note o sentido do fluxo de elétrons dentro do BJT e o sentido da corrente iE fora
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BJT – região ativa
Elétrons na base (região p) são portadores minoritários! Portanto, eles recombinam
gerando a corrente iB2, reduzindo a quantidade de elétrons na região da base
(processo de recombinação).
Elétrons injetados do emissor difundem através
da base e são coletados na região à direita (coletor)
Corrente de difusão
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BJT – região ativa
Corrente de coletor
A maioria dos elétrons injetados chegam a CBJ e são acelerados ao coletor , portanto
IC = In.
onde
ou
IS = Corrente de saturação
Note que a corrente IC não depende de VCB (apenas quando CBJ está diretamente
polarizada)
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BJT – região ativa
IS ~ 10-12 a 10-18 A
(extremamente dependente da temperatura, dobrando a cada 5C)
VT ~25 meV (@300K)
IS é inversamente proporcional ao tamanho da base (W) e diretamente
proporcional à área da EBJ.
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BJT – região ativa
Corrente de base (duas componentes)
h+ injetados no emissor – iB1
h+ fornecidos para a recombinação – iB2
iB = iB1 + iB2
Proporcional à corrente coletada:
 é um parâmetro do transistor (50 ~200)
Chamado de ganho de corrente de emissor
comum
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BJT – região ativa
Corrente de emissor
Regra dos nós  iE = iC + iB
Ex: Se  = 100, a = 0.99
a é chamado de ganho de
corrente de base comum
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BJT – estrutura física
Visão em corte da estrutura física (simplificada) do bjt
Coletor envolve o emissor para coletar o máximo de e-, fazedo com que
a seja próximo de 1 e  seja alto
O dispositivo não é simétrico
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BJT
Acompanhe a animação a partir de Diodoe/rectifier
http://php.scripts.psu.edu/users/i/r/irh1/SWF/Semiconductors.swf
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BJT – símbolo e
resumo da região ativa
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Exemplo
16
Exemplo
RC
VBE
RE
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Exemplo
RC
VBE
RE
18
Exemplo
RC
VBE
RE
Com iC = 1mA e vBE = 0.7V, calculamos IS
Com IS e ic = 2mA, recalculamos VBE.
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Exemplo
RC
VBE
RE
Com iC = 1mA e vBE = 0.7V, calculamos IS
Com IS e ic = 2mA, recalculamos VBE.
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Ativa
B
E
Efeito Early
0,4V
Sat
Valores de tensão baixos
(VCB < -0.4V), CBJ está
polarizado diretamente e
estamos na região de
saturação.
VCB > -0.4V, CBJ está
polarizado reversamente e
estamos na região ativa.
Na região ativa, a corrente depende ligeiramente de vCE
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Efeito Early
Corrente de coletor
 desprezando o
efeito Early
Na região ativa, a corrente depende ligeiramente de vCE
VA - ~10 a 100V (tensão Early)
Também conhecido como efeito de modulação de largura de base
Efeito similar foi analisado no MOSFET
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Exercícios
23
Exercícios
24
Exercícios
1
Considerando o BJT na região ativa
2
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Exercícios
1
Considerando o BJT na região ativa
2
1 em 2:
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Exercícios
1
Considerando o BJT na região ativa
2
1 em 2:
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Exercícios
Tensão de coletor acima da base por 4.03 V (o transistor de fato está na região
ativa) A consideração feita no início estava correta!
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Exercícios
VB = 4.57 V
IRB2 = 4.57 / 50k = 0.09 mA
IRB1 = IRB2 + IB = 0.103 mA
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Exercício
30
Exercício
Note que os dois transistores não conduzem
simultaneamente.
VBE Q1 = VEB Q2
Se EBJ de Q1 está polarizado diretamente,
EBJ de Q2 está polarizado reversamente
Neste caso, considerando que Q2 conduz
(Q1 em corte):
Corrente fluiria do R1k para a base de Q2. Portanto, a base estaria em um potencial
negativo e a corrente fluiria da base para o potencial +5V, o que é um impossível!
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Exercício
Note que os dois transistores não conduzem
simultaneamente.
VBE Q1 = VEB Q2
Se EBJ de Q1 está polarizado diretamente,
EBJ de Q2 está polarizado reversamente
Neste caso, considerando que Q2 conduz
(Q1 em corte):
Corrente fluiria do R1k para a base de Q2. Portanto, a base estaria em um potencial
negativo e a corrente fluiria da base para o potencial +5V, o que é um impossível!
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Exercício
Q2 está em corte e Q1 conduz:
5 – 10k x IB – 0.7 – 1k x IE = 0
IB = 4.3/(10k + 101k) = 0.039 mA
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Exercício
5 – 10k x IB – 0.7 – 1k x IE = 0
IB = 4.3/(10k + 101k) = 0.039 mA
IE = 0.039 x (101) = 3.9 mA
VE = 3.9 m x 1k = 3.9V
VB = 5 – 10k * 0.039 m = 4.61V
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Exercício
5 – 10k x IB – 0.7 – 1k x IE = 0
IB = 4.3/(10k + 101k) = 0.039 mA
IE = 0.039 x (101) = 3.9 mA
VE = 3.9 m x 1k = 3.9V
VB = 5 – 10k * 0.039 m = 4.61V
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