Dispositivos Electrónicos Rafael de Jesús Navas González Fernando Vidal Verdú

Dispositivos Electrónicos
AÑO: 2010
TEMA 5: EL TRANSISTOR BIPOLAR
Rafael de Jesús Navas González
Fernando Vidal Verdú
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TEMA 5: EL TRANSISTOR BIPOLAR
5.1. Estructura física.
5.1.1 Transistores pnp y npn
5.2. Regiones de operación.
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
Región activa directa.
Región de saturación.
Región de corte.
Región activa inversa.
5.3. El transistor bipolar como elemento de circuito:
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
Variables de circuito y configuraciones básicas: emisor común base común,colector, común.
Transistor bipolar en configuración emisor común. Curvas características. Modelos básicos.
Circuitos con transistores: Cálculo del punto de trabajo.
Circuitos con transistores: Cálculo de la característica de transferencia.
5.4. El transistor bipolar en conmutación: Características dinámicas
5.4.1 Transición corte-saturación: tiempo de retardo, tiempo subida.
5.4.2 Transición saturación-corte: tiempo de almacenamiento, tiempo de bajada.
5.4.3 Modelos dinámicos.
5.5. Familias lógicas bipolares.
5.5.1 Familia RTL.
5.5.2 Familia DTL.
5.5.3 Familia TTL.
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TEMA 5: EL TRANSISTOR BIPOLAR
OBJETIVOS
Al estudiar este tema el alumno debe ser capaz de:
• Explicar de forma cualitativa las características de la estructura física de los transistores bipolares,
tanto la de los de tipo pnp como la de los tipo npn.
• Explicar de forma cualitativa las condiciones y mecanismo de funcionamiento del transistor bipolar
en las diferentes regiones de operación: Region de corte, región activa y región de saturación.
• Identificar el transistor bipolar como elemento de circuito y las variables usadas para su
caracterización.
• Conocer el modelo básico de transistor bipolar (pnp y npn) en configuración emisor común en cada
una de las regiones de funcionamiento y su relación con sus curvas características.
• Analizar circuitos básicos con un transistor bipolar. Analisis DC y característica de transferencia.
• Conocer forma cualitativa el funcionamiento estatico y dinámico del transistor bipolar en
conmutación.
• Analizar e identificar puertas lógicas básicas de las familias bipolares RTL, DTL, TTL.
• Estudiar situaciones sencillas que ilustran las características de fan-out en las puertas logicas.
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LECTURAS COMPLEMENTARIAS
•• Navas González R. y Vidal Verdú F. "Curso de Dispositivos Electrónicos en Informática y
Problemas de Examen Resueltos" Universidad de Málaga/ Manual 70, 2006. Tema 5: pag.181-202.
•• Fernández Ramos, J. y otros, "Dispositivos Electrónicos para Estudiantes de Informática"
Universidad de Málaga / Manuales 2002. Tema 5: pag. 93- 133.
•• Malik, N.R.,"Circuitos Electrónicos. Análisis, Simulación y Diseño", Editorial Prentice-Hall 1996.
Tema: 4: pag. 220-251.
•• Pollán Santamaría, Tomás, "Electrónica Digital I. Sistemas Combinacionales", Prensas
Universitarias de Zaragoza 2003. TEMA 10: pag. 229-246, Apéndice al Tema 10: pag. 1-10.
•• Daza A. y García J. "Ejercicios de Dispositivos Electrónicos" Universidad de Málaga/Manuales
2003. Tema 3: pag 107-167.
•• http://jas.eng.buffalo.edu/education/index.html
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ESTRUCTURA FÍSICA
p
n
p
E
Emisor
Colector
B
C
C
Base
n
p
B
E
n
C
Emisor
Colector
B
E
Base
EL ÁREA DE CONTACTO BASE-EMISOR ES MENOR QUE EL ÁREA DE CONTACTO
BASE-COLECTOR:
EL EMISOR INYECTA PORTADORES QUE RECOGE EL COLECTOR
LA BASE ES ESTRECHA:
MUCHOS PORTADORES "SOBREVIVEN" A LA RECOMBINACIÓN
EL EMISOR ESTÁ MÁS DOPADO QUE EL COLECTOR Y LA BASE:
ES EL QUE INYECTA PORTADORES
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REGIONES DE OPERACIÓN
n
p
n
Emisor
Colector
VBC
C
B
VBE
E
Base
VBC
VBE
BE INVERSA BC DIRECTA
INVERSA
VBC
BE DIRECTA BC DIRECTA
SATURACIÓN
(VTBE,VTBC)
CORTE
BE INVERSA BC INVERSA
VBE
ACTIVA
BE DIRECTA BC INVERSA
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REGIÓN ACTIVA
C
E
¿
?
NO
B
B
directamente polarizada
n
C
E
inversamente polarizada
n
p
Emisor
Colector
E
IC
IE
IB
Base
VBC < 0 Recombinación
VBE > 0
EL EMISOR INYECTA PORTADORES QUE RECOGE EL COLECTOR
MUCHOS PORTADORES "SOBREVIVEN" A LA RECOMBINACIÓN
I C = αI E ,
IB ∝ e
IE ∝ e
IE
IC + IB = IE
α≈1
V BE ⁄ V T
IE ∝ IB
V BE ⁄ V T
I C = βI B
IC
IB
IC ∝ IB
I C = βI B
IE
VBE
IC
IB
EL EMISOR ESTÁ MUCHO MÁS DOPADO QUE LA BASE:
IE ES MUCHO MÁS GRANDE QUE IB , ES DECIR β ES GRANDE
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REGIÓN DE SATURACIÓN
E
directamente polarizada
n
VBC
VBE
directamente polarizada
C
n
p
B
Colector
Emisor
VCE
E
Base
VBE
VBC >0
VBE >0
C
B
REGIÓN DE CORTE
inversamente polarizada
inversamente polarizada
n
n
p
Colector E
Emisor
C
B
Base
VBC <0
VBE <0
REGIÓN ACTIVA INVERSA
inversamente polarizada
n
p
directamente polarizada
n
Colector
Emisor
IE
β Inv
IBIB
β inv
IC
VBC
IB
Base
VBE <0
VBC >0
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TRANSISTOR BIPOLAR COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
TRANSISTOR NPN
TRANSISTOR PNP
VE
+
IE
E
+
VEB
_
+
_
B
VEC
VB
+
_
VBC
IC _
C
+
VCB
IB
B
VC
+
IC
C
IB
VCE
vB
VC
IE _
VE
_
VBE
E
Elemento de tres terminales: seis variables de circuito
I B , IC , IE
VB , VC , VE o bien
VBC , VEC , VEB (PNP)
VBE , VCE , VCB (NPN)
sólo cuatro variables son independientes:
LKI:
LKV: VB + VC + VE = 0
LKV: VBC - VEC + VEB = 0 (PNP)
IB + I C + I E = 0
LKV: VBE - VCE + VCB = 0 (NPN)
Tres configuraciones:
BASE COMÚN
EMISOR COMÚN
COLECTOR COMÚN
IE
IC
IB
+
VBE
_
C
B
+
VCE
E
_
IE
+
VEB
_
IC
C
E
B
+
V
_ CB
IB
E
B
+
VBC
_
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+
VEC
C
_
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TRANSISTOR BIPOLAR EN EMISOR COMÚN
CURVAS CARACTERÍSTICAS
CONDICIONES EN LAS REGIONES DE TRABAJO
IC
+
C
IB
VBC
B
INVERSA
SATURACIÓN
VCE
+
_
VBE
E
(VTBE,VTBC)
_
CORTE
ACTIVA
IB frente a VBE
NO CORTE
IB
VBE
IB ≥ 0
IB
VCE = 1V
V BE ≤ V BEon
CORTE
VBE
VBEon
VBEon
VBE
IC frente a VCE para distintos valores de IB
IC (mA)
IB ≥ 0
0.4
40
0.3 IB (mA)
30
I C = βI B
V CE ≥ V CEsat
0.2
20
ACTIVA
0.1
10
0.0
VCEsat
0.2V
VCE
I C ≤ βI B
SATURACIÓN
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TABLA RESUMEN DE MODELOS Y CONDICIONES
PNP
NPN
E
C
B
B
E
C
REGIÓN DE CORTE
C
E
si V BE ≤ V BEon
B
si V EB ≤ V EBon
B
E
C
REGIÓN ACTIVA
C
si I B ≥ 0
βIB
IB
B
VBEact
VEBact
IB
E
B
y V CE ≥ V CEsat
si I B ≥ 0
βIB
y V EC ≥ V ECsat
E
C
REGIÓN DE SATURACIÓN
IC
C
si I B ≥ 0
VCEsat
IB
VEBsat
IB
y βI B ≥ I C
B
E
B
VBEsatE
si I B ≥ 0
VECsat
IC
y βI B ≥ I C
C
REGIÓN ACTIVA INVERSA
VBCactinv
IB
E
C
B
βinvIB
E
si I B ≥ 0
B
y V EC ≥ V ECsat
IB
βinvIB
si I B ≥ 0
y V CE ≥ V CEsatinv
C
VCBactinv
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TRANSISTOR BIPOLAR COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ejemplo 1: En este circuito, determinar el valor de las variables de emisor común
que determinan el punto de trabajo del transistor.
VDD
RB2VDD
RC
RB1
N
RB1 + RB2
VDD = 10V
RC
RC = 5KΩ
RB1 = RB2 = 400KΩ
Q
+
Q VCE
N +
VBE - -
RB1//RB2 IB
VBEON = 0.7 volt.
RB2
VDD
IC
VCESAT = 0.2 volt.
β = 100
VBEON = VBEact = VBEsat
Hay que determinar el valor de dos tensiones, las variables VBE y VCE
y de dos corriente IB e IC.
C
si V BE ≤ V BEon
βIB
IB
B
VBEact
E
C
si I B ≥ 0
C
B
SATURACIÓN
IC
ACTIVA
CORTE
E
y V CE ≥ V CEsat
si I B ≥ 0
VCEsat
IB
y βI B ≥ I C
B
VBEsatE
CORTE
RB2VDD
RB1 + RB2
IC
VDD
RC
C
+
Q VCE
+
N
VBE - E
RB1//RB2 IB
R B2 V DD
V BE = ----------------------- = 5V > V BEon
R B1 + R B2
No se cumple V BE ≤ V BEon
B
El transistor no está en Corte
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TRANSISTOR BIPOLAR COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ejemplo 1: (Continuación)
VDD
RB2VDD
RC
RB1
N
Q
RB1 + RB2
VDD = 10V
RC
RC = 5KΩ
RB1 = RB2 = 400KΩ
+
Q VCE
N +
VBE - -
RB1//RB2 IB
VBEON = 0.7 volt.
RB2
VDD
IC
VCESAT = 0.2 volt.
β = 100
VBEON = VBEact = VBEsat
Hay que determinar el valor de dos tensiones, las variables VBE y VCE
y de dos corriente IB e IC.
C
si V BE ≤ V BEon
βIB
IB
B
VBEact
E
C
si I B ≥ 0
C
B
SATURACIÓN
IC
ACTIVA
CORTE
E
y V CE ≥ V CEsat
si I B ≥ 0
VCEsat
IB
y βI B ≥ I C
B
VBEsatE
ACTIVA
RB2VDD
IC
RB1 + RB2
VDD
M2
RC
βIB
RB1//RB2
N
M1
IB
B
VBEact
M1:
R B2 V DD
----------------------- – V BEact
R B1 + R B2
I B = ---------------------------------------------- = 21,5μA ≥ 0
R B1 || R B2
C
Q
+
M2:
VCE
E
V CE = V DD – R c βI B = 10 – 10,75 < V CEsat
No se cumple V CE ≥ V CEsat
-
El transistor conduce
pero no lo hace en su región activa
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TRANSISTOR BIPOLAR COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ejemplo 1: (Continuación)
VDD
RB2VDD
RC
RB1
N
RB1 + RB2
VDD = 10V
RC
RC = 5KΩ
RB1 = RB2 = 400KΩ
Q
+
Q VCE
N +
VBE - -
RB1//RB2 IB
VBEON = 0.7 volt.
RB2
VDD
IC
VCESAT = 0.2 volt.
β = 100
VBEON = VBEact = VBEsat
Hay que determinar el valor de dos tensiones, las variables VBE y VCE
y de dos corriente IB e IC.
SATURACIÓN
IC
ACTIVA
CORTE
C
si V BE ≤ V BEon
B
βIB
IB
B
VBEact
E
C
si I B ≥ 0
C
y V CE ≥ V CEsat
E
IB
y βI B ≥ I C
B
VBEsatE
SATURACIÓN
RB2VDD
IC
RB1 + RB2
VDD
M2
M1:
RC
C
Q
+
RB1//RB2 IB
N
M1
B
VBEsat
M2:
VCEsat
R B2 V DD
----------------------- – V BEact
R B1 + R B2
I B = ---------------------------------------------- = 21,5μA ≥ 0
R B1 || R B2
V DD – V CEsat
I C = ------------------------------- = 1,96mA
RC
Se cumple βI B ≥ I C
E
-
El transistor conduce
en su región de saturación
Finalmente como respuesta al enunciado del problema se tiene :
VBE = VBEsat = 0,7V
VCE = VCEsat = 0,2V
si I B ≥ 0
VCEsat
IB = 21,5uA
IC= 1,96mA
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TRANSISTOR BIPOLAR COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ejemplo 2: Verificar que la curva vo-vi en este circuito es la siguiente
VDD
vo
VDD = 5V
RC
RC = 5KΩ
RBB = 20KΩ
+
RBB
Q
vi
VDD
vo VBEON = 0.7 volt.
VCESAT
VCESAT = 0.2 volt.
-
β = 100
VBEON VA
vi
VBEON = VBEact = VBEsat
V
R
BB
= ------------ ( V
–V
)+V
DD
CESAT
BEON
βR
C
SATURACIÓN
IC
ACTIVA
CORTE
C
si V BE ≤ V BEon
βIB
IB
B
VBEact
E
C
si I B ≥ 0
C
B
A
IB
y V CE ≥ V CEsat
y βI B ≥ I C
B
E
si I B ≥ 0
VCEsat
VBEsatE
vo
CORTE
IC
VDD
VDD
RC
M2
C
+
Q VCE=v
o
+
VBE - E
IB
RBB
VCESAT
B
vi
VBEON VA
M1
Para se cumpla VBE ≤ VBEon
M1: V BE = v i
M2: V CE = V DD
se ha de cumplir
v i ≤ V BEon
y se tendrá que
v O = V DD
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TRANSISTOR BIPOLAR COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ejemplo 2: Verificar que la curva vo-vi en este circuito es la siguiente (continuación)
VDD
VDD = 5V
RC
+
RBB
vo
VDD
Q
RC = 5KΩ
RBB = 20KΩ
vo VBEON = 0.7 volt.
vi
-
VCESAT
VCESAT = 0.2 volt.
β = 100
vi
VBEON VA
VBEON = VBEact = VBEsat
V
C
si V BE ≤ V BEon
ACTIVA
βIB
IB
B
VBEact
E
C
E
y V CE ≥ V CEsat
IC
βIB
IB
B
VBEact
C
IB
y βI B ≥ I C
B
VBEsatE
vo
VDD
M2
Q
+
VCE=vo
E
VCESAT
VBEON VA
M1
M1:
M2:
si I B ≥ 0
VCEsat
VDD
RC
vi
SATURACIÓN
IC
si I B ≥ 0
C
RBB
R
BB
= ------------ ( V
–V
)+V
DD
CESAT
BEON
βR
C
ACTIVA
CORTE
B
A
v i – V BEact
I B = ------------------------R BB
V CE = V DD – R c βI B
Para se cumpla I B ≥ 0 se ha de cumplir v i ≥ V BEact
Para se cumpla V CE ≥ V CEsat se ha de cumplir v i ≤ V A
–R β
R BB
R β
R BB
C
C
- v i + ⎛ V DD + --------- V BEact⎞
y se tendrá que v O = -----------⎝
⎠
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TRANSISTOR BIPOLAR COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
Ejemplo 2: Verificar que la curva vo-vi en este circuito es la siguiente (continuación)
VDD
VDD = 5V
RC
+
RBB
vo
VDD
Q
RC = 5KΩ
RBB = 20KΩ
vo VBEON = 0.7 volt.
vi
-
VCESAT
VCESAT = 0.2 volt.
β = 100
vi
VBEON VA
VBEON = VBEact = VBEsat
V
C
si V BE ≤ V BEon
βIB
IB
B
VBEact
E
SATURACIÓN
RC
C
E
y V CE ≥ V CEsat
IB
y βI B ≥ I C
B
VBEsatE
VDD
M2
VCE=vo
E
VCESAT
VBEON VA
M1
M1:
M2:
si I B ≥ 0
VCEsat
Q
+
VCESat
IB
B
VBEsat
C
vo
VDD
IC
vi
SATURACIÓN
IC
si I B ≥ 0
C
RBB
R
BB
= ------------ ( V
–V
)+V
DD
CESAT
BEON
βR
C
ACTIVA
CORTE
B
A
v i – V BEact
I B = ------------------------R BB
V DD – V CEsat
I C = ------------------------------RC
Para se cumpla I B ≥ 0 se ha de cumplir v i ≥ V BEact
Para se cumpla βI B ≥ I C se ha de cumplir v i ≥ V A
y se tendrá que v O = VCEsat
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vi
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TRANSISTOR BIPOLAR COMO AMPLIFICADOR DE TENSIÓN
v in = V in + A sin ωt
v o = V o – A G sin ωt
Punto de polarización Q
Q (V O,V in)
V O = v o ( V in )
vin
A=50mV
Característica de Transferencia
vO
vO
AG=1.35V
Activa
G ≅ 27
VO=1,5V
Vin=0,916V
vin
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Ganancia del amplificador
G =
dv 0
d v in
(V O,V in)
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COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR BIPOLAR: BJT EN CONMUTACIÓN
- Respuesta a un pulso
td tr
ts
tf
Característica de Transferencia
Corte
- Tiempo de transición corte - saturación
- Tiempo de retardo: Tiempo que tarda la corriente de base en cargar la capacidad
vO
de transición de la unión emisor-base y conseguir que esta pase a conducción
- Tiempo de subida de la corriente de colector: Tiempo que tarda la corriente
de colector en cargar la capacidad de transición de la unión colector-base. Se mide como
el tiempo que tarda la corriente de colector en pasar del 10% al 90% de su valor en saturación.
Saturación
vin
- Tiempo de transición de saturación - corte
- Tiempo de almacenamiento: Tiempo necesario para eliminar el exceso de
portadores minoritarios en la unión colector base que ha de pasar de conducción a corte.
- Tiempo de bajada de la corriente de colector: Tiempo que tarda la corriente
de colector en descargar la capacidad de transición de la unión colector-base, se mide como
el tiempo que tarda la corriente de colector en pasar del 90% al 10% de su valor en saturación.
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COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR BIPOLAR
- Modelo dinámico para el diodo
Modelo transición corte-conducción
IC
C
IB
B
V BE ≤ V BEon
E
_
_
B
+
+
VBE
C
V BC ≥ 0
IB ≥ 0
_
IB
B
C depBE
+
+
VBC
B
+
+
IB
V BC ≤ 0
_
VBEsat
VCEsat VCE
_
_
E
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B
C
VBC
C dBC
+
+
C dBE
VBE
IR
_
E
_
_
V BE ≤ V BEon
V BE = V BEsat
+
C dBE
VBE
βIB
VCE
VBE
βI B ≥ I C
+
C depBE
_
IC
C dBC
C
tr
VBEact
IB
Modelo transición corte-conducción
ts
C
_
C depBC
E
Modelo saturación
V CE ≥ V CEsat
VBC
C depBC
VBC
VCE
+
VBE
_
IB ≥ 0
V BE = V BEon
V BC ≤ 0
+
Modelo transición activa
td
E
tf
20/31
COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL TRANSISTOR BIPOLAR
- Modelo para SPICE
Transistor npn
C
iC
rC
Notación
Modelo
Modelo
αFiDE
Estático
C dep
iDC
Cd
B IB
Dinámico
rB
iDE
C dep
Cd
αRiDC
rE
iE
E
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SPICE
Valor por
defecto
Is
IS
1,0E-16A
βF
BF
100
βR
BR
1
CjE0
CJE
0F-V1/2
Vje
VJE
0,785V
Cjc0
CJC
0F-V1/2
Vjc
VJC
0,75V
τe
TF
0s
τc
TR
0s
21/31
TRANSISTOR BIPOLAR COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
CÁLCULO DEL PUNTO DE TRABAJO: UN ALGORITMO
Q1
Circuito
Ejemplo: N=1
QN
1. Se consideran todas las situaciones posibles, que son M = 3N,
es decir si N = 1, M = 3, en concreto:
i=1: Q1 CORTE
i=2: Q1 ACTIVA
i=3: Q1 SATURACIÓN
inicializo la variable i =0
2. Tomo el caso i = i+1 y sustituyo los transistores por los modelos
(transparencia anterior)
3. Para todos los transistores compruebo las condiciones bajo las
cuales los modelos valen (transparencia anterior)
NO
¿Se cumplen las condiciones?
SI
FIN: CALCULO LO QUE QUIERO DEL CIRCUITO
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TRANSISTOR BIPOLAR COMO ELEMENTO DE CIRCUITO
CÁLCULO DE CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA:
Vo
Q1
QN
¿?
Ejemplo: N=1
Vi
+ Vo
Para – ∞ ≤ V i ≤ ∞
_
Vi
quiero Vo
1. Se consideran todas las situaciones posibles, que son M = 3N,
es decir si N = 1, M = 3, en concreto:
i=1: Q1 CORTE
i=2: Q1 ACTIVA
i=3: Q1 SATURACIÓN
inicializo la variable i =0
2. Tomo el caso i = i+1 y sustituyo los transistores por los
modelos
3. Para todos los transistores impongo las condiciones bajo
las cuales los modelos valen.
4. De las condiciones anteriores obtengo
⎫
condiciones sobre Vi :
V BE ≤ V BEon ⎪
las
⎪
⎪
⎬ → a ≤ Vi ≤ b
βI B ≥ I C
⎪
⎪
V CE ≥ V CEsat ⎪
⎭
IB ≥ 0
5. Calculo Vo
Vo
a
NO
¿i = M?
b
Vi
SI
Vo
a
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b
Vi
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FAMILIAS LÓGICAS BIPOLARES: RTL
Inversor RTL
vo(V)
IDEAL
vOH 5
vo(V)
Vcc=5V
i
vOH 5
o
Rc
vo
vi
vOL 0.0
2.5
vIL vIH
Rb
Q
vOL 0.2
0.5 1.5
vIL vIH
vi(V)
Puerta básica: NOR
Vcc
A
B
O
Rc
vo
Rb
vA
Rb
QA QB
vB
Calidad:
♦ Fan-out: 5 puertas
♦ Margen de ruido: 0.13V (con las cinco puertas conectadas)
♦ Retraso: 12ns
♦ Consumo: 11mW
) POBRES FAN-OUT Y MARGEN DE RUIDO
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vi(V)
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FAMILIAS LÓGICAS BIPOLARES: DTL
Inversor DTL
Vcc
i
vo(V)
o
Rc
R
vi
i
IDEAL
vOH 5
D2
D1
vo
Qo
vOL 0.0
Rb
Di
2.5
vIL vIH
Vcc
o
vo(V)
ρR
vOH 5
(1−ρ)R
Rc
Q1
Vi
Di
Vo
D1
vOL 0.2
Qo
1.2 1.65
vIL vIH
Rb
mejora el fan-out
Vcc=5V
Puerta básica: NAND
ρR
A
B
vi(V)
(1−ρ)R
O
VA
VB
Calidad:
Rc
Q1
D1
VO
Qo
Rb
♦ Fan-out: 8 puertas
♦ Margen de ruido: 1V (con las cinco puertas conectadas)
♦ Retraso: 30ns
♦ Consumo: 13mW
) MEJORES FAN-OUT Y MARGEN DE RUIDO QUE RTL
) PEOR TIEMPO DE RETARDO QUE RTL
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vi(V)
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FAMILIAS LÓGICAS BIPOLARES: TTL
) DESARROLLADAS PARA MEJORAR EL RETRASO DE LA DTL
SIN EMPEORAR LO DEMÁS
Configuración "Totem-pole"
TTL 7400
A
O
B
vo(V)
transistor
multiemisor
vOH 2.4
vOL 0.4
0.8
vIL
2
vIH
vi(V)
vo(V)
IDEAL
vOH 5
TTL 74LS00
vOL 0.0
A
2.5
vIL vIH
O
B
transistor
Schottky
TTL
7400
74S00
74LS00
74AS00
74ALS00
Fan-out
10
10
10
10
10
VIL-VOL (peor caso)
0.8-0.4V
0.8-0.5V
0.8-0.5V
0.8-0.5V
0.8-0.5V
VOH-VIH (peor caso)
2.4-2V
2.7-2V
2.7-2V
2.7-2V
2.7-2V
Tiempo de Retardo
10ns
3ns
10ns
1.5ns
4ns
Consumo
10 mW
19 mW
2 mW
20 mW
1 mW
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vi(V)
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FAMILIAS LÓGICAS BIPOLARES: TTL
Transistor multiemisor
Vcc
R
Vcc
Rc
D2
D1
vB
Rb
DiA
Qi
vA
vB
Qo
vA
Rc
R
vo
vo
Qo
Rb
DiB
E2
C
E1
C
B
E1
C
B
E
E2
B
Transistor Schottky
Diodo Schottky
C
B
QS
E
DS
B
C
C
C
B
B
E
E
Q
E
Q nunca conduce en saturación.
Reduce el tiempo de conmutación.
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FAMILIAS LÓGICAS BIPOLARES: Ejemplos
Ej: En las puerta lógicas de la figura, verificar la tabla que recoge los valores de Vo
para las diferentes combinaciones de las entradas. ¿De qué puerta lógica se trata?
Calcular el consumo en cada caso.
VDD
VDD
RB
Qo
vI1 D1
DB
+
Qo
vI1 D1
vo
0
5
0
5
0
0
5
5
v0(V) P(mW)
5
5
5
0,2
4,3
4,3
4,3
5,875
+
vo
RB
−
−
vI2 D
2
vI2 D
2
vI1(V) vI2(V)
RC
RA
RC
RA
VDD = 5V
vI1(V) vI2(V)
RA = RC= 5KΩ
RB = 15KΩ
0
0
5
5
VBEON = Vγ = 0.7 volt.
VBEON = VBEact = VBEsat
VCESAT = 0.2 volt.
β = 100
v0(V) P(mW)
5
5
5
0,2
0
5
0
5
4,3
4,3
4,3
8,4
Ej: Para las puerta lógicas de la figura, verificar su curva característica.
Determinar sus niveles lógicos y sus margen de ruido
VDD
VDD
RA
vI1
D1
RA
RC
RB
Qo
vi
VDD
VDD
D1
vo
vI2 D
2
vI1
+
vi
RC
DB
Qo
vI2 D2
−
vo
RB
−
vo
VOH= VDD
vo
VOH= VDD
NMH = 4,3V
NML = 0,5V
NMH = 4,84V
NML = - 0,2V
VOL=VCESAT
VOL=VCESAT
VIL= 0
+
vi
R
B
– Vγ
(V
–V
)+V
VIH= V A = ----------DD
CESAT
BEON
βR
C
vi
VIL=VIH=VBEON
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FAMILIAS LÓGICAS BIPOLARES: Ejemplos
Ej: En las puerta lógicas de la figura, comprobar como influye su interconexión
sobre los niveles lógicos. ¿Calcular el máximo número de puertas lógicas que
pueden ser conectadas a la salida de una dada, sin que estos se degraden?
i
o
vo
VOH=VDD
VDD
NMH = VDD - VA
NML = VBEON - VCESAT
RC
+
RBB
Q
VOL=VCESAT
vo
vi
VIL=VBEON
-
V
vo1 vi2
vi1
vo2
R
BB
= ------------ ( V
–V
)+V
A
DD
CESAT
BEON
βR
C
VDD
VDD
RC
RC
DOS CASOS
(A)
(B)
0
1
+
RBB
1
Q
vi1
1
0
0
CASO (A)
VDD
RC
vi1=VDD
RBB
B
RBB
vo1= VCEsat = vi2 < VBEON
-
+
-
-
-
Q
vi2
vo2
-
0
1
1
1
+
B
+
IB VBEON E
vo1
RC
C
+
+
RBB
VDD
Vx
C
IC
vi
VIH=VA
1
vo2=VDD
E
-
No hay degradación del cero lógico Vx =VCEsat
No importa
cuantas
puertas
se conecten
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FAMILIAS LÓGICAS BIPOLARES: Ejemplos
Ej: (Continuación)
vo
VDD
i
o
VOH=VDD
NMH = VDD - VA
RC
NML = VBEON - VCESAT
+
RBB
Q
vi
V
vo
VOL=VCESAT
R
BB
= ------------ ( V
–V
)+V
DD
CESAT
BEON
βR
C
A
-
vo1 vi2
vi1
VIL=VBEON
1
0
CASO (B)
vi
VIH=VA
vo2
0
Sin conexión
IRC
VDD
VDD
RC
RC
C
+
vo1= vi2
E
-
+
IC
RBB
vi1= 0
Con conexión
C
+ Vx
RBB B
Vx = VDD > VIH
B
Hay degradación del uno lógico
-
(VDD - VBEON) RBB
Siempre que Vx > VIH todo irá bien
RBB+RC
¿Cuál es el máximo nº de puertas
RC
que se pueden conectar?
0
1
+VBEON < VDD
RBB+RC
vo2=VCEsat
IB VBEON E
-
Vx =
(VDD - VBEON) RBB
RBB
0
+VBEON > VIH
<
VDD - VIH
VIH - VBEON
0
RBB
n
E
VDD
0
RC
C
RBB B
E
+ Vx
vo1= vi2
-
B
E
IB
Vx =
n
RBB
vi1= 0
RBeq =
RBB
n
IB
RBB
IRC
B
+
-
B
IB VBEON E
n <
(VDD - VBEON) RBeq
RBeq+RC
+VBEON
VDD - VIH
RBB
VIH - VBEON
RC
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FAMILIAS LÓGICAS BIPOLARES: Ejemplos
Ej: En las puerta lógicas de la figura, comprobar como influye su interconexión
sobre los niveles lógicos. ¿Calcular el máximo número de puertas lógicas que
pueden ser conectadas a la salida de una dada, sin que estos se degraden?
i
o
vo
VOH= VDD
VDD
NMH = VDD - VBEON
NML = VBEON - VCESAT
RC
RA
DB
Qo
vI1 D1
+
VOL=VCESAT
vo
RB
vi
−
VIL=VIH=VBEON
vo1 vi2
vi1
vo2
VDD
VDD
RC
RA
DOS CASOS
(A)
(B)
Qo
0
0
1
Qo
DB
1
0
vi1
D1
D1
−
0
RC
RA
RC
RA
C
RB
vo2
RB
VDD
DB
+
−
1
VDD
vi1= 0
+
vo1= vi2
RB
CASO (A)
D1
DB
RC
RA
D1
−
No hay degradación del uno lógico
C
RB
IB
E
0
0
+
vo2 = VCESat
B
vo1= VDD = vi2
E
IC
Vx
+
B
DB
1
−
Vx =VDD
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0
No importa
cuantas
puertas
se conecten
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FAMILIAS LÓGICAS BIPOLARES: Ejemplos
Ej: (Continuación)
vo
VOH= VDD
VDD
i
o
NMH = VDD - VBEON
NML = VBEON - VCESAT
RC
RA
DB
Qo
vI1 D1
+
vo
RB
VOL=VCESAT
−
vi1
vo1 vi2
vi
vo2
VIL=VIH=VBEON
0
1
CASO (B)
1
VDD
Sin conexión Q1 en Sat.
VDD
IRC
RA
DB
RC
IC
D1
RA
ID1
C
DB
D1
Q1
B
Q2 +
E
−
E
I C ≤ βI B = I maxsat
Con conexión
I C = I R + I D1
C
vo2 = VDD
RB
vo1= VCEsat= vi2
IB
RB
+
C
B
vi1=VDD
Vx
RC
−
Mientras se cumpla
I C ≤ I maxsat
I D1 ≤ I maxsat – I R
C
Q1 en Sat y no hay degradación del cero lógico
En caso contrario Q1 en activa y V X ≥ V CEsat = V IL
¿Cuál es el máximo nº de puertas
que se pueden conectar?
0
1
1
Con n conexiones se tiene
1
I C = I R + nI D1
C
VDD
n
y hay degradación del cero lógico
Mientras se cumpla
nI D1 ≤ I maxsat – I R
I C ≤ I maxsat
C
1 VDD
RA
IRC
DB
D1
vi1=VDD
IC
RC
C
+
Q1
B
RB
Vx
IB
E
RA
ID1
D1
vo1=VCEsat
B
RB
RA
ID1
n
D1
RA
ID1
B
Q1 en Sat y
no hay degradación
del cero lógico
I maxsat – I R
n ≤ -------------------------------CI D1
RB
−
D1
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