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Tema 2: EL TRANSISTOR BIPOLAR2.1 Introducción2.2 El transistor en régimen estático
• Expresiones simplificadas en las regiones defuncionamiento
• Curvas características del transistor (configuraciónen EC).
2.3 Polarización del transistor• Punto de trabajo (Q)• Circuitos de polarización. Recta de carga estática
2.4 El transistor en conmutación2.5 El transistor como amplificador
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BIBLIOGRAFÍATEORÍA:
• Boylestad. Electrónica. Teoría de circuitos, Cap. 4 y 5
• Savant et al. Diseño electrónico, Cap. 2
• Malik. Circuitos electrónicos…, Cap. 4
PROBLEMAS:
• Benlloch et al. Prob.resueltos de electrónica, Cap. 2
• Waterworth. Electrónica. Cuad. de trabajo, Cap. 2
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2.1 INTRODUCCIÓN (1)Objetivos
Dispositivo o válvula de control que permite:
Regular un flujo de corriente medianteuna cantidad de energía pequeña (varía laconductividad entre dos terminales actuandosobre un tercer terminal de control)
EtimologíaTransfer resistorBJT: Bipolar Junction Transistor
(transistor bipolar de unión)
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2.1 INTRODUCCIÓN (2)Descubrimiento
1948: Brattain, Bardeen, Schockley (Bell Telephone Lab.)
(El siglo del Transistor)
-
2.1 INTRODUCCIÓN (3)
Ventajas sobre las válvulas de vacío
• Menor consumo y disipación
• Tamaño menor (capacidad de integración)
• Mayor duración
• No requiere un calentamiento previo
-
2.1 INTRODUCCIÓN: ESTRUCTURA DEL BJT
E
B
CP N P
TRANSISTOR P-N-P
Terminales del transistor
(C) Colector: dopado intermedio y gran longitud(B) Base: poco dopado y estrecha
(E) Emisor: muy dopado y longitud intermedia
Forma normal de trabajoUnión b-e: polarización directa ( baja resistencia)Unión b-c: polarización inversa ( alta resistencia)
El transistor no es la unión de dos diodos en oposición.
E
B
CN P N
TRANSISTOR N-P-N
-
2.1 INTRODUCCIÓN: SÍMBOLOSTRANSISTOR P-N-P
E
B
CP N P
IE
B
C
E
IC
IB
IB + IC = IE
TRANSISTOR N-P-N
E
B
CN P N
B
C
EIB IE
IC
-
2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO
1) Zona ACTIVA (activa directa)
Unión E-B: directamente polarizadaUnión C-B: inversamente polarizada
IE = IC + IB IC ≈ β ∗ IB IC ≈ α ∗ IE
α = IC / IE (≈∆IC / ∆IE) : ganancia de corriente en base común (α ≈ 1)β = IC /IB (≈∆IC / ∆IB) : ganancia de corriente en emisor comúnβ es muy variable, (valores típicos entre 10 y 600)
V EB > 0
V CB < 0
V BE > 0
V BC < 0
N P N
-
+
+
-
IE IC
IB
NP
-
+
+
-
P
IE IC
IB
-
2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (2)
Resumiendo, tenemos:
• Unión B-E : se comporta como un diodo normal• IC = β ∗ IB : fuente de corriente que depende de IB
Modelo del transistor en la zona ACTIVA :
IBB C
E ICIE = IB +
P N P
IC = β * I B
IBB C
E
IC
N P N
= β I B
ICIE = IB +
-
2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (3)
2) Zona de CORTE
Unión E-B: inversamente polarizada
Unión C-B: inversamente polarizada
• La corriente por el transistor (colector-emisor) es muy pequeña(similar a la corriente de un diodo polarizado en inversa)
B
C
E
IB = 0 IC = 0
Modelo aproximado de transistor CORTADO :
-
2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (4)
3) Zona de SATURACIÓN
Unión E-B: directamente polarizada
Unión C-B: directamente polarizada
• IB tiende a provocar una IC mayor que la que permite el circuitoexterno de polarización.
IC no puede aumentar más, se SATURA.
IC < β I B para IB ≥ IBmínSAT
-
2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (5)
Resumiendo, tenemos:• IC independiente de IB para IB ≥ IBmínSAT• VCE independiente de IB para IB ≥ IBmínSAT
VCEsat (Si) ≈ 0.2V independiente de IB, IC(a veces se aproxima a 0v)
B
C
E
E
CB
0.7V O.2V
P N PE
CB
0.7V O.2V
N P NModelo
ideal
Modelo del transistor en la zona de SATURACI ÓN:
-
2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (6)
4) Zona ACTIVA INVERSA
Unión E-B: inversamente polarizada
Unión C-B: directamente polarizada
• No aplicable en la práctica como amplificador, yaque el transistor no es simétrico funcionalmente.
• Se utiliza en aplicaciones digitales (puertas TTL).
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“ALGORITMO” PARA DETERMINAR LA ZONA DEFUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR
Si unión B-E inversa ⇒ transistor no conduce ( IB ≈ 0)∗ zona de CORTE (unión B-C inversa)∗ zona ACTIVA INVERSA (unión B-C directa)
Si no Si IC = β IB ⇒ zona ACTIVA
VCE > 0.2V (N-P-N) VCE < - 0.2V (P-N-P)
Si no
zona de SATURACI ÓN:∗ IC < β IB IC = ICsat∗ VCE ≈ 0.2V (N-P-N); VCE ≈ - 0.2V (P-N-P);
NOTA: Las tensiones de los terminales del transistor deben sercompatibles con los límites de la(s) tensión(es) de alimentación
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Curvas característicasConfiguración en Emisor común (EC)
Característica de salida (corriente de colector)
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Curvas características del transistor (2)
Característica de entrada (base)
-
Polarización del transistor.Concepto de punto de trabajo Q
• Conjunto de corrientes y tensiones que aparecen en losterminales del dispositivo: VCEQ, ICQ
• Es un punto de reposo (en continua).
• Deben satisfacerse simultáneamente:∗ Las curvas características del transistor
(Limitaciones especificadas por el fabricante)
∗ Las ecuaciones del circuito de polarización exterior(Limitaciones impuestas por los componentes)
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Circuitos de Polarización. Rectade carga estática
V CC
R B
R C
B
E
CI B
I C
NPN EMISOR COMÚN
Q(VCEQ , ICQ)
CECCCC VRIV += *
CECC
CC
C
CECCC VRR
V
R
VVI *
1−=−=
Recta de carga estática
-
Circuitos de Polarización. Rectade carga estática (2)
Q
VccVCEQ
ICQ
VccRc
V CE
Ic
PCMÁX
SATURACI ÓN
CORTE
Elección del punto de reposo (Q):
Se diseña IB y se calcula RB de forma que:
Datos: VCC, RCB
BECCB R
VVI
−=
-
Tipos de polarización.Polarización fija
VCC
RB RC
• IB = (Vcc - VBE) / RB≈ Vcc / RB = cte
• IC = β IB
-
Polarización con realimentaciónde colector
VCC
RBRC
• IB no es fija, dependede VC
• Realimentaciónnegativa
• Q es más estableante variaciones de β
-
Polarización con divisor de tensióny realimentación de emisor
• IB no es fija, dependede R1 // R2, RE
• Realimentaciónnegativa
• Q más estable que enel caso anterior
VCC
R1
R2 RE
RC
-
2.4 El transistor en conmutación• El transistor pasa de la zona de corte a la de saturación y
viceversa (conmuta entre estos dos estados)
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El transistor en conmutación (2)
• La conmutación se considerará instantánea, si bienexisten retardos debido a la redistribución de cargas enlas uniones.
V CC
R B
R C
B
E
CI B
I C
VeVs
• Si el transistor conmuta entrecorte y saturación, tanto laentrada como la salida son“digitales”.
-
El transistor en conmutación (3)• Corte: Ve < 0.6V ⇒ Vs = Vcc• Saturación: IC < β*I B ⇒ Vs = 0.2V
C
CCCsat
B
esatBsatmin
esatC
CCBe
B
e
C
CC
C
CCC
B
eB
R
VVI
R
VI
VVR
VVRV
R
VV
R
VV
R
VVI
R
VVI
2.0;
6.0
6.0*
2.0*
6.0*
2.0
2.0;
6.0
−=−=
=+−>
−
-
El transistor en conmutación (4)Ve
Vs
Vcc
Vcesat
Vecorte
Ve sat
t
t
Inversor elemental (desfase de 180°)
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2.5 El transistor como amplificador• El transistor trabaja en la zona activa (es necesario fijar
adecuadamente el punto Q)
-
El transistor como amplificador(2)• Supongamos que se conecta a la malla base-emisor:
∗ un generador de continua de valor VBBen serie con
∗ un generador de alterna de valor vs = Vp*sin(wt)• La corriente de base varía entre los límites (suponiendo
VBE ≅ cte): ( )
( )
( )B
BEPBBB
B
BEPBBB
B
BEPBBB
R
VVVI
R
VwtsinVVti
R
VVVI
−−=
−+=
−+=
mín
máx
)(*)(
-
El transistor como amplificador(3)• Suponiendo que, en todo momento, el transistor permanece
en la zona activa, entonces la corriente de colector variaráentre los límites:
( )
( )
( )B
BEPBBBC
B
BEPBBBC
B
BEPBBBC
R
VVVII
R
VwtsinVVtiti
R
VVVII
−−==
−+==
−+==
**
)(**)(*)(
**
mínmín
máxmáx
ββ
ββ
ββ
-
El transistor como amplificador(4)• Lo que implica una variación de la tensión colector-
emisor, entre los límites:
( )
( )B
BEPBBCccCCccCE
CCccCE
B
BEPBBCccCCccCE
R
VVVRVIRVV
tiRVtv
R
VVVRVIRVV
−−−=−=
−=
−+−=−=
***
)(*)(
***
mínmáx
máxmín
β
β
• Ganancia de corriente: ∆iC / ∆iB• Ganancia de tensión: ∆vCE / ∆vs siendo vs la entrada alterna
(donde las minúsculas significan magnitudes instantáneas)
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