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1

Electrónica I

© Jorge Guilherme 2008 #1

Transistor Bipolar

Electrónica I


Bibliografia:• Manuel de Medeiros Silva, "Circuitos com Transístore s Bipolares e

MOS", ed. F.C. Gulbenkian, 1999.• Sedra/Smith, Microelectronic Circuits, Oxford University Press, 1998.• Paul Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis and Robert G. Meyer,

Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, John Wiley & Sons, 2001.

• Behzad Razavi, Fundamentals of Microelectronics, John Wiley & Sons, 2008.• Herbert Taub and Donald Shilling “ Digital Integrated Electronics”

MacGraw-Hill 1977.• Jacob Baker, CMOS Circuit Design, Layout and Simulation, John Wiley

& Sons, 2005.

2

Electrónica I


Transístor Bipolar de Junção

NPN

PNP

Estrutura simplificada

BJT – Bipolar Junction Transistor

Electrónica I


Símbolos

PNP

NPN

Condução na zona activa

CBE III +=

Vbe

Vce

3

Electrónica I


BE

inES

T

BESC

T

BE

BE

inEC

WNnqDA

I

VV

II

VV

WNnqDA

I

2

2

exp

1exp

====

====

−−−−====

B

C

CE

BCE

II

II

III

====

++++====

++++====

ββββ

ββββ1

1

Funcionamento do transistor

ααααββββ

ββββββββ

ββββββββ

====++++

++++====

====

≈≈≈≈

1

exp1

exp1

exp

T

BESE

T

BESB

T

BESC

VV

II

VV

II

VV

IIRelação de correntes

BC II ⋅⋅⋅⋅==== ββββ

Electrónica I


Não utilizadoZona activa inversaDirectaInversa

Circuitos analógicosZona activaInversaDirecta

SaturaçãoDirectaDirecta

Circuitos DigitaisCorteDirectaInversa

Junção CBJunção BE Aplicações

Modo de funcionamento

Polarização

Zonas de funcionamento

Corte: VBE < 0.5V; IB = 0; IC = 0

Zona Activa: VBE ≈ 0.7V; VCE > VBE ≈ 0.7V; IC = β IB

Saturação: VBE ≈ 0.7V; VCE = VBE ≈ 0.7V (limiar da saturação)IC < β IB VCE = VCEsat ≈ 0.2V (profundamente saturado)

T

BE

V

v

SC eII =

4

Electrónica I


Variação com a temperatura

T

BE

V

v

SC eII =

BC II ⋅= β ββββ – ganho de corrente

Na zona activa VCE > 0.2V

VBE varia -2mV/ºC

Electrónica I


Resistência de saídaEfeito de Early

+=

A

CEV

v

SC V

veIi T

BE

1C

A

teconsvCE

C

O I

V

v

ir

BE

≈

∂∂

=

= tan

1

VA – tensão de Early

VA = 100 – 150V NPNVA = 50 – 100V PNP

5

Electrónica I


Modelo de sinais fortesNPN

PNP

Electrónica I


Modelo de sinais fortesna zona activa 1+

=β

βα

ααβ−

=1

BC ii ⋅= β

( ) CCBE iiii ⋅=+=+=αβ

ββ 111

β – ganho de corrente

Na zona activa VCE > 0.7V

βr < 1– ganho de corrente inversa

6

Electrónica I


Modelo do transístor na saturação

−−−−

++++++++====

====

R

F

R

F

TCEsat

BCEsat

VV

IR

ββββββββββββ

ββββββββ

21

12/1

ln

101

Electrónica I


Tensão de disrupção

7

Electrónica I


Variação do ganho de corrente

Variação de β com IC e com a temperatura

ββ ≈∂∂==

== CECEBB VvIiB

Cfef i

ih

;

hfe - Ganho de corrente incremental

Electrónica I


VVVVV

VRIVV

II

mAR

VI

VVV

ECCE

CCCCC

EC

E

EE

BEE

7.023.33.5

3.57.499.010

99.0101

100

1

13.3

3.3

3.37.044

>=−=−==⋅−=−=

≈=+

=

=

===

=−≈−=

ββα

α

Zona activa

β = 100

8

Electrónica I


Não está na zona activa

Zona de saturação

VVVV

VRIVV

II

mAR

VI

VVV

ECCE

CCCCC

EC

E

EE

BEE

82.23.548.2

48.27.46.110

6.13.3

3.5

3.57.066

−=−=−==⋅−=−=

≈

===

=−≈−=

Não está na zona activa

Electrónica I


Circuito emissor comum

Ov∆

iv∆iVO vAv ∆=∆ amplificador

Para sinais fracos o troço ≈ linear

AV – Ganho de tensão

9

Electrónica I


Inversor lógico

Porta NOR

Se vI = 0V (0 lógico) vO = 5V (1 lógico)

Se vI = 5V (1 lógico) vO≈ 0V (0 lógico)

Electrónica I


C

CCCCE

CCCEC

CECCCC

RV

iV

Vvi

viRV

====⇒⇒⇒⇒====

====⇒⇒⇒⇒====→→→→++++====

0

0

carga de recta

Emissor comum Análise gráfica

10

Electrónica I


Emissor comum - Análise gráfica

Electrónica I


Modelo incremental Sinais são variações de tensãoSinais fortes: funcionamento não linear => distorçãoSinais fracos: funcionamento por troços ≈ linear (zona activa)

sinais

repouso em ntofuncioname de ponto

variavél) e(componentlincrementavalor

continua) e(componentrepouso emvalor

totalvalor

, ,

, ,

→→→→∆∆∆∆====∆∆∆∆====∆∆∆∆====→→→→

++++====++++====++++====

CcCEceBEbe

CCEBE

cCC

ceCECE

beBEBE

iivvvv

IVV

iIi

vVv

vVv

T

CVv

T

Sm

BE

C

be

cm

VI

eVI

g

vi

vi

g

T

BE

========

∂∂∂∂∂∂∂∂========

Transcondutância

T

Cm

T

BES

T

m

T

BES

BE

m

V

Ig

V

VI

Vg

V

VI

dV

dg

=

=

=

exp1

exp

11

Electrónica I


++++

++++

++++++++====

========++++

K

32

61

21

1T

be

T

be

T

beCC

Vv

VV

SV

vV

SC

Vv

Vv

Vv

Ii

eeIeIi T

be

T

BE

T

beBE

DC termo linear

distorção

Desenvolvimento em série2º harmónica

3º harmónica

mb

be

cb

m

cbe

bc

bemc

T

CmbemCbe

T

CC

T

beCC

beTbe

giv

ri

i

gi

v

ii

vgi

VI

gvgIvVI

IVv

Ii

mVvVvse

ββββ

ββββββββ ππππ ========⇒⇒⇒⇒

====

====⇒⇒⇒⇒

========

====⇒⇒⇒⇒++++====++++====

++++≈≈≈≈

<<<<⇐⇐⇐⇐<<<<<<<<

1

10

Resistência incrementalde entrada

Modelo de sinais fracos em ππππ

1

223

22

V

VVVTHD N++++++++++++

====K

Electrónica I


Modelo em T Modelo em ππππ com resistência de saída

mme

eebe

gr

gr

irv

11

≈≈≈≈++++

========

====

ββββαααα ππππ

12

Electrónica I


Modelo para altas frequências

ββββωωωωωωωω

ωωωωππππ

ωωωω

ββββ

µµµµππππ

T

TT

mT

F

CCg

====

====

++++====

21 Frequência de corte

Electrónica I


Modelo incremental - Exemplos

Transistor Esquema simplificado

13

Electrónica I



Electrónica I



14

Electrónica I


Circuito

Análise DC

Modelo incremental

ΩΩΩΩ============

ΩΩΩΩ============

============

kmAV

IV

r

kVmAg

r

VmAmVmA

VI

g

C

AO

m

T

Cm

47.433.2

100

09.1/92

100

/9225

3.2

ββββππππ

•Os componentes semicondutores são substituídos pelos seus equivalentes incrementais.•As fontes de tensão são substituídas por curto-circuitos.•As fontes de corrente são substituídas por circuitos abertos.•As resistências e condensadores mantêm-se no esquema incremental.•Os condensadores de acoplamento e contorno são substituídos por curto-circuitos.

Electrónica I


ππππ

ππππ

ππππ

ππππππππ

rRr

Rgvv

A

Rvgv

rRr

vvv

BBCm

i

OV

CbemO

BBibe

++++−−−−========

−−−−====++++

========

Calculo do ganho do circuito

15

Electrónica I


Polarização estabilizada

Equivalente de Thévenin

2121

21

21

2

// RRRR

RRR

VRR

RV

B

CCBB

====++++

====

++++====

•Os parâmetros do transístor têm elevada dispersão.•Interessa ter IC bem definido para garantir PFR estável.

BEVBEBB

BE

CB

E

BEBBE

BBBEEEBB

VV

RR

IR

R

VVI

RIVRIV

∆∆∆∆∆∆∆∆>>>>>>>>++++

>>>>>>>>

≈≈≈≈

++++++++

−−−−====

====++++++++++++−−−−

a adesencibilid pouca para

a adesencibilid pouca para

1

1

0

ββββββββ

ββββ

3

3

3

se-escolhe

CCCE

CCCC

CCEE

CCCEEECC

VV

VRI

VRI

RIVRIV

≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈

→→→→++++++++====

Electrónica I


Circuito com duas alimentações

CB

E

BEEEE I

RR

VVI ≈

++

−=

1β

Circuito alternativo

( )

CB

C

BECCE

BBBECBCCC

IR

R

VVI

RIVRIIV

≈

++

−=

+++=

1β

16

Electrónica I


Andares de amplificação

Faixa de frequências que fornece o máximo ganho

Electrónica I


Resistencias de entrada e resistencias de saida

17

Electrónica I


x

xx i

VR ====

Tecnicas para medir resistencias de entrada e resistencias de saida

Electrónica I


Circuito

Modelo incremental

OCout

Bin

rRR

rRR

//

//

======== ππππ

18

Electrónica I


+Vcc

R1

Re

Rc

R2 Ce

C1

C2

RL

Vo

Vi Rs

Vo

V πr π gm.V roπR1//R2

Vi Rs

Rc RL

Modelo do transistorRin Rout

Modelo incremental

Emissor comum

LCOmO

B

iBS

B

RRrvgv

RRR

vrRR

rRv

////

//

//

//

21

π

π

ππ

−==

+=

Curto circuito à massa

C1, C2 e Ce têm valor elevadoa sua impedância tem valor muito baixo às frequências de interesse

inS

inLoutm

BS

BLCOm

i

OV RR

RRRg

rRR

rRRRrg

v

vA

+−=

+−== //

//

//////

π

π

Ganho de tensão AV

COout

Bin

RrR

rRR

//

//

== π

Electrónica I


+Vcc

R1

Re

Rc

R2

C1

C2

RL

Vo

Vi Rs

Degeneração de emissor

Vo

V πr π gm2.V ro2π2R1//R2

Vi Rs

Rc RL

Modelo do transistor

Re

Modelo incremental

19

Electrónica I


+Vcc

Re

Rc

Vi

Vo

Vo

V πr π gm.V π

Vi

Rc

Re

ib ibβVe

Analise simplificada

[ ]

)1(

)1(

)1(

)1(

β

β

ββ

π

π

ππ

++==

++=

++=+=+=

eb

iin

e

ib

beebi

bee

Rri

vR

Rr

vi

iRrvirv

iRv

e

C

ee

C

e

rgm

CV

e

C

i

oV

e

iCbCo

R

R

Rr

R

Rr

RA

Rr

R

v

vA

Rr

vRiRv

e

−≈+

−≈

++

−=

++−==

++−=−=

≈≈4342111

1

)1(

)1(

ββ

β

ββ

βββ

π

π

π

1/gm << Re

Resistência de entrada

Electrónica I


+Vcc

Re

Vi

Vo

Vo

V πr π gm.V π

Vi

ro

Re

ib ibβVo

Colector comum

11

//

1

//

//

//)1(

//)1(

//)1(

//)1(

≈+

=+

==

+++=

+=

++==

oe

eoee

oe

i

oV

ioe

oeo

oebo

oeb

iin

rR

rrRr

rR

v

vA

vrRr

rRv

rRiv

rRri

vR

ββ

β

β

π

π

me g

r1≈

oee rRr //<<para

( )( )

OE

m

sout

OEin

m

SOE

OEv

rRg

RR

rRrR

g

RrR

rRA

||||1

1

||1

11

||

||

++

=

++=

++

+=

β

ββ

π

20

Electrónica I


Cout

ein

RR

rR

==

Base comum

mS

LC

eS

LC

i

oV

eS

ie

gR

RR

rR

RR

v

vA

rR

vi

1////

+≈

+==

+−=

αLCm

m

LC

e

LCV RRg

g

RR

r

RRA //

/1

//// ≈== αα

Se Rs = 0

Electrónica I


Base comum [ ] ( )1

1

||

||)||(1

outCout

EOEmout

RRR

rRrrRgR

=++= ππ

m

BE

C

in

out

g

RR

R

v

v1

1+

++

≈

β

Efeito de Rb baixa o ganho

21

Electrónica I


Calculo da resistência de saída

Curto-circuito na entrada e coloca-se um gerador ix na saída.Rout = Vx/ix

Re

Rout Vx

r π gm.V π ro

Re

ib ibβVe

ix

Degeneração de emissor

( )

[ ]

( )( )Emoout

EEmoout

EoEmox

xout

xEoEmoe

Exe

eemxox

RrgrR

RrRrgrR

RrrRrgri

vR

iRrrRrgrv

Rriv

vvgirv

//1

////1

////

////

//

π

ππ

ππ

ππ

π

+≈++=

++==

++=−=

−−=

Resultado também aplicável à base comum

Electrónica I


r π gm.V π

Re//ro

ib

ibβ

Vx

ix

Resistência de saída do colector comum

(((( )))) (((( ))))

(((( ))))

moeoeout

x

x

xx

xbbbbx

grR

rrRR

riv

rv

i

rv

iiiii

1////

1////

1

1

1

≈≈≈≈

++++====⇒⇒⇒⇒

++++====

++++====

−−−−====++++−−−−====++++−−−−====

ββββββββ

ββββ

ββββββββ

ππππ

ππππ

ππππ

ππππ

r π gm.V π

Re//ro

ib

ibβ

Vx

ix

Rs

(((( ))))

++++++++====⇒⇒⇒⇒

++++++++====

++++++++====

++++−−−−====

1////

1

1

ββββββββ

ββββ

ππππ

ππππ

ππππ

ππππ

rRrRR

rRiv

rRv

i

rRv

i

soeout

s

x

x

s

xx

s

xb

Introdução da resistência do gerador

22

Electrónica I


11

1 ++≈

++=

ββπ B

m

B

X

X R

g

Rr

i

v

Electrónica I


+Vcc

R1

Re

Rc

R2

C1Vi

Vo1

Vo2

Emissor comum com 2 saídas

io

e

co

vv

R

Rv

≈

−≈

2

1

C

E

B T1

T2

ic1

ib2

ib1

ic2

Montagem Darlington

( )

( )[ ]( )

( )21

1

1

1

1

1

21121

1121

221121

112

πππ βββββββ

βββββ

β

rrr

II

IIIII

II

eq

eq

bc

bbccc

bb

++=

≈++=++=

+=+=+=

23

Electrónica I


++

++=

11

111

12 ββB

mm

X

Rgg

R

Montagem Darlington

Electrónica I


Amplificadores com vários andares

24

Electrónica I


Colector comum seguido de emissor comum

Montagem Darlington

Aumento da resistência de entrada

Electrónica I


Andar cascode

Emissor comum

Base comum

Vo

r π2 gm.V π2 ro2

r π1 gm.V π1 ro1

VinRo1

Ro

V1

omi

ov

inm

o

inoom

Rgv

vA

vvg

R

vRrgv

−==

−≈⇒≈

−=

1

1

1

//

1

11

( )

( )22

122

1

//1

1

ooo

omoo

rrR

rrgrR

βββ

π

≈+≈

+≈+≈

44 344 21

25

Electrónica I


)||( 21111

1

πrrgrgA

gG

OmOmv

mm

−≈≈

Andar cascode

Electrónica I


)||(|| 21223 πrrrgrR OOmOout ≈

)||(||)||( 21223433 ππ rrrgrrrgR OOmOOmout ≈

26

Electrónica I


ViVo

R

TR

Amplificador logarítmico

−−−−====

≈≈≈≈

−−−−====

S

iTo

V

V

SV

V

SC

RIV

VV

eIeII T

be

T

be

ln

1

Melhor caracteristica exponencial que com diodo

ViVo

R

TR

VosIos

−−−−++++−−−−====S

OSOS

S

iTo RI

VRIRIV

VV ln

Efeito do offset

Electrónica I


ViVo

R

TR

Re

Cc

Para garantir a estabilidade do circuito introduz-se Re e Cc

1

//

//

≥≥≥≥

========

X

Y

OX

eeY

RR

rRR

RrR

Para estabilidade

Vi R Re

Vref

T1 T2 Vx

Compensação de temperatura

====

−−−−

====

−−−−====

2

1

1

1

2

2

12

ln

lnln

C

CTX

S

CT

S

CTX

bebeX

II

VV

II

VII

VV

VVV

27

Electrónica I


S

inTout IR

VVV

1

ln−=

TH

oxn

inout V

RL

WC

VV −−=

1

2

µ

Amplificador logaritmico

Amplificador de raiz quadrada

Electrónica I


Aplicações

28

Electrónica I


ViVo

R

TR

Amplificador exponencial

T

i

VV

So eRIV−−−−

−−−−====

Vi R3

Re

T1 T2

Vref R2 R1

Vo

R4 Cc

Compensação de temperatura

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