Tema3. Transistores bipolares

Tema 3: El transistor bipolar de unión.
INDICE
•Funcionamiento básico del transistor bipolar
•Análisis de la línea de carga de un transistor
•Estados del transistor
•El transistor PNP
•Modelos y análisis del transistor en gran señal
•Circuitos de polarización
•Circuitos equivalentes en pequeña señal
•El amplificador en emisor común
•El seguidor de emisor
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
FUNCIONAMIENTO BÁSICO DEL
TRANSISTOR BIPOLAR NPN
•Unión B-E à PD
•Unión B-C à PI
VBC=VB-VC=VBE-VCE
Si VBE < VCE à VBC < 0
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
iE à Corriente total del emisor
γiE à Corriente solo de e- procedentes del E
αγiEà Corriente de e- de E que llegan a C
iC= αγiE + ICS
iC= αFiE
Curvas características:
Curva característica de entrada
- Igual a la del diodo.
- Unión PN se rige por la e. de Shockley
- También vBE disminuye con la Tª.
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Curva característica de salida:
- iC es independiente de la vCE ya que no pasa
ningún e- del C a la B à PI
- Valores inferiores a 0,2 cambian la polarización
VBE = 0.7 V à PD
VBC < 0.5V à PI
VBC-VBE = VB-VC – VB+VE =VEC = -VCE
VCE = VBE-VBC = 0.7 – 0.5 = 0.2V
Al ser VBE un valor fijo, cualquier valor de VCE
superior a 0.2, mantiene la PI, ya que VBC
quedará negativa, una tensión menor lo cambia.
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EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR
Con pequeñas iB se obtienen grandes iC.
β= iC/ iB
à [10-1000]
Mayor β
à E muy dopado
à B angosta
Relación entre β y α
LCK
Shockley
Gráfico
à
à
à
iE=iB+iC
iE=IES[eVBE/VT-1]
ic=α iE
ic/α =IES[eVBE/VT-1]
iC ≈IS eVBE/VT
iB=(1-α )iE
iB=(1-α ) IES[eVBE/VT-1]
VBE>>VT
à
[1] y [3]
à
[5] y [6]
à
β = iC/ iB
à
β = [α IES eVBE/VT]/[(1-α ) IESeVBE/VT
β = α /(1-α)
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[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
]
[8]
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RECTA DE CARGA
VCC y VBB à Polarizan el transistor
LVK Malla 1:
VBB + vin(t) = RBiB + VBE
LVK Malla 2:
VCC = RCiC + VCE
Si vin(t) aumentaà iB varia en la r.c.à aumenta ic
à disminuye vCE à INVERSION DE vin(t)
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Ejemplo 4.2. Hambley
Suponga el circuito anterior con VCC = 10V, VBB
=1.6V, RB=40 Ω , RC=2KΩ , la señal de entrada es
vin(t)=0.4sen(2000ωt).
1.
Hallar el valor de iB mediante la recta de
carga.
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2.
Construimos la línea de carga sobre la c.c.s.
3.
Todos los puntos de vin(t) dan la curva de
salida. Ganancia= -5
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Distorsión
La salida anterior no es exactamente senoidal
hay diferencia respecto a la entrada à
DISTORSION.
CORTE
SAT
Vin max =1.2V à iB=50uAà ic=5mAà VCE=10V Corte
Vinmin =-1.2Và iB=0uAà ic=0mAà VCE=0V Saturado
Vin med=0Và iB=25uAà ic=2.5mAà VCE=5V Activo
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EL TRANSISTOR PNP
•Su fabricación y polarización son contrarias a la
del NPN.
•Ecuaciones: iE=iB+iC
iB=(1-α )iE
iC=αiE
β = iC/ iB
iE=IES[e-VBE/VT-1]
iB=(1-α ) IES[e-VBE/VT-1]
•Curvas características
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EJEMPLO PNP CON RECTA DE CARGA
Hallar Q y los valores max. y min. de iB y vo(t)
para el circuito de la figura. ¿Invierte la señal?
-8.2V–8KiB+vBE+9V=0à
PTO1(0,100uA)
PTO2(0.8V,0)
IBQ=25uA ; IBmin=5uA ; IBmax=50uA
-3Kic+vCE+9=0à PTO1(-9,0) PTO2(0,3mA)
ICQ=1.25mA ; Icmin=0.25mA ; Icmax=2.5mA
vCEQ=3.75V ; vCEmin=0.75V; vCEmax=7.5V
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1.
MODELOS EN GRAN SEÑAL
ACTIVO (BEà PD, BCà PI)
2.
SATURACIÓN
3.
CORTE
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Ejemplo 4.3. Determinar la región de trabajo
del NPN en los siguientes casos.(β=100)
a) IB=50uA ; IC=3mA
IB>0 y Ic>0
Activo o Saturado
Si estuviera saturado debe cumplirse:
βIB>IC à 100*50uA=5mA > Ic=3mA
b) IB=100uA ; VCe=5V
IB>0 y VCE>0.2 à Activo
c) VBE=-2V; VCE=-1V
VBE<0 y VCE<0 à Corte
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ANÁLISIS DE CIRCUITOS BIPOLARES EN
GRAN SEÑAL
1. Suponemos inicialmente un estado: activo,
corte o saturado.
2. Redibujamos el circuito sustituyendo el
transistor por su modelo equivalente.
3. Resolvemos el circuito para hallar Ic, IB, VCE.
4. Comprobar que los resultados son coherentes
con el estado supuesto.
5. Si es correcto hemos terminado si no
volvemos al paso 1.
* Análisis de polarizaciónà Situar Q en zona
ACTIVA para amplificar
* Buena polarización: evitar variaciones de Q por
variaciones de β con Tª.
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POLARIZACION CON BASE FIJA
En el circuito de la figura se tiene RB=200K,
Rc=1k, Vcc=15v, B=100.Calcular VCE y IC.
1. Suposición inicial à CORTE
2. Sustituir por el modelo equivalente
3. Resolvemos para hallar Ic, IB, VCE.
IB=0; IC=0;
VCE=VC-VE = (15-RC*IC)-0 = 15V
VBE=VB-VE = (15-RB*IB)-0 = 15V
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
4. Comprobar los resultados con las condiciones
del estado supuesto.
CORTE à VBE<0.5V; VBC <0.5V
VBE =15V > 0.5V
VCE =15V >0.5V
No se cumplen las condicionesà NO CORTE
5. Volvemos al punto 1
1. SATURACIÓN
2.
3. Análisis del circuito
IB = (15-0.7)/200K = 71.5uA
Ic =(15-02)/1K = 14.8mA
4. Comprobar las condiciones de saturación
SATURACIÓN à IB >0 ; βIB >Ic
IB =71.5uA à OK
β IB =100*71.5uA=7.15mA <Ic =14.8mA à NO
5. Nueva suposición.
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
1.ACTIVO
2.
3.Análisis del circuito
IB=(15-0.7)/200k = 71.5uA
Ic=β*IB=7.15mA
VCE=VCC-RCIc=15V-1K*7.15mA=7.85V
4. Comprobamos con el estado supuesto
ACTIVOà IB>0; VCE>0.2V
IB=71.5uA>0 à OK
VCE=7.85V>0.2V à OK
5. ESTADO ACTIVO. Adecuado para amplificar.
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
POLARIZACIÓN EN BASE FIJA CON UNA β
MAYOR
β=300
1. ACTIVO
3. Análisis
IB=(15-0.7)/200K=71.5uA
Ic=β*IB=300*71.5uA=21.45mA
VCE=VCC-RC*Ic=15V-1K*21.45mA=-6.45V
4. Compruebo
ACTIVOà IB>0; VCE>0.2
IB=71.5uA à OK
VCE=-6.45 < 0.2 à NO OK
5. Supongo un nuevo estado
1. SATURACIÓN
3.Análisis
Ic=(15-0.2)/1k = 14.8mA
IB=71.5uA
4. Comprobación
SATURACION à IB>0; β*IB>Ic
IB=71.5uA >0 à OK
β*IB=300*71.5uA=21.45mA > 14.8mA à OK
5. SATURADO
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CONSECUENCIAS SOBRE EL DISEÑO DEL
CIRCUITO DE POLARIZACIÓN
ACTIVO
SATURADO
INCONVENIENTES:
* Al variar β varía Ic y por tanto el punto Q,
pudiendo pasar a otro estado, p.e. SATURACION
donde el transistor no amplifica.
* En dispositivos de la misma serie β varia
SOLUCIÓN:
* Hacer que RB varíe para ajustar IB à poco
práctico à Base fija
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CIRCUITO DE POLARIZACION AUTOMÁTICA
1.
2.
3.
Suposición ACTIVA
Circuito equivalente
Análisis del circuito
-VBB +VBE + RE IE = 0
IE= (5-0.7)/2K = 2.15mA à Indpte β
IB = 21.5µA ; Ic = 2.15mA
Vcc = VCE + RE IE +Rc Ic
VCE =6.4V
4.
ACTIVO à IB > 0 ; VCE >0.2V
IB =21.5µA >0 y VCE = 6.4V > 0.2V
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
CIRCUITO DE POLARIZACION AUTOMÁTICA
CON UNA BETA MAYOR
β = 300
β = 100
β = 300
IB
21.50 µA
27.14 µA
Ic
2.15 mA
2.14 mA
VCE
6.4V
6.4V
Q (VCE , Ic ) en independiente de β
INCONVENIENTES:
•Usa dos fuentes diferentes.
•Al inyectar señal en la base con C, VBB quedaría
en corto.
SOLUCIÓN:
•Buscar un circuito similar que solo use una
fuente.
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
POLARIZACION AUTOMATICA CON CUATRO
RESISTENCIAS
•R1 y R2 à Divisor de tensión à VBB = constante
•I1 e I2 >> IB
•Puede
acoplarse
una
vin
alterna
capacitivamente.
Análisis à Thévenin figura (b)
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
VB =VTH ; RB=RTH
VB = RB IB + 0.7 + REIE
IE = (β +1) IB à IB = (VB – 0.7) / [RB + (β +1)RE]
Calculamos despues Ic , IE y VCE usando la
segunda malla.
EJEMPLO 4.7. P.A CON CUATRO
RESISTENCIAS
RTH= RB = R1||R2 = 3.3K
VTH=VB = 5V
IB =41.2 µA (@β=100)
IB = 14.1µA (@β =300)
Ic = 4.12mA (@β =100)
Ic = 4.24mA (@β= 300)
Para un cambio 3:1 en β la variación de Ic es
[(4.24-4.12) / 4.24] *100 = 3%
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
IE=IB + Ic
IE = 4.16 mA (@β =100)
IE = 4.25 mA (@β =300)
VCE = Vcc – Rc Ic
VCE = 6.72 (@β = 100)
VCE = 6.51 (@β = 300)
DISEÑO DE CIRCUITOS DE POLARIZACION
DISCRETOS
OBJETIVO:
Q independientes de parametros
susceptibles de cambio à β (fabricación, Tª), VBE
(Tª).
DISEÑO:
•R1 y R2 à VB cte à Compromiso R2à I2>10*IB
•VBE ↓ con ↑Tª à VB grande à VB – VBE ≅ VB à
Compromisoà VB=1/3 Vcc à VB=RB IB + 0.7 +VE
•En general Vcc =1/3 V Rc + 1/3 VCE + 1/3 VE
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
FUENTES DE CORRIENTE EN LA
POLARIZACION DE CIRCUITOS INTEGRADOS
Q1=Q2; Estado ACTIVO; β=100; IS=10-13ª
VBE1 = VBE2 à IE1 + IE2 = 2mA à IE1 = IE2 = 1mA
IB1 = IB2 = IE2 / (β +1) = 9.9µA
Ic1 = Ic2 = β IB2 = 0.99mA
IE3 = 5mA
IB3 =IE3 / (β +1) = 49.5µA
Ic3 = β IB3 = 4.95mA
I1=Ic2 – IB3 = 0.941mA
vo=15V + 0.7 –I1Rc = 10.3V
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑA
SEÑAL
Notación de señales:
[1]
iB(t) = IBQ + ib(t)
[2]
vBE (t) = VBEQ +vbe
I total base = I continua + I de la señal
Circuito de polarización à Q
Relaciones entre las componentes de pequeña
señal del transistor:
[3]
iB=(1-α)IES [exp(vBE/VT) –1]
[1]y[2] en [3] à
IBQ +ib(t)=(1-α)IES [exp((VBEQ+vbe(t))/VT) ]
IBQ +ib(t)=(1-α)IES [exp(VBEQ/VT)exp(vbe(t)/VT) ]
=IBQ
IBQ +ib(t)= IBQ exp(vbe(t)/VT) ]
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vbe(t) << VT
IBQ +ib(t)= IBQ(1 + (vbe(t)/VT))
ib(t)= IBQ (vbe(t)/VT)
[4]
[5]
rπ= VT/ IBQ
à Unión be = R
ib(t)= vbe(t)/rπ
ICQ
[6]
iC(t) = β iB(t)
+ ic(t)=β IBQ + β ib(t)
ic(t)= β ib(t) à Fuente dependiente de I
CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑA
SEÑAL PARA EL TRANSISTOR BIPOLAR
De [4] y [6] à
ic(t) = (β /rπ)vbe(t)
Transconductancia à gm=β / rπ
[7]
rπ= VT/ IBQ à rπ= β VT/ ICQ
[8]
[7] y [8] à gm= β /[β VT/ ICQ] à gm= ICQ/VT
[9]
Los parámetros de p.señal (gm y rπ) pueden
calcularse conocido Q.
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
En términos de rπ y gm las relaciones entre
corrientes y tensiones de pequeña señal queda:
vbe(t)= rπ ib(t) y ic(t)=gmvbe(t)
Ejercicio 4.19. A temperatura ambiente un
transistor tiene un valor de β = 100. Calcular sus
parámetros de pequeña señal para ICQ=10mA .
Datos: VT = 26mV
I
=385mS
V
βV
=260Ω
r =
I
Calcular: g =
CQ
m
T
β =100
T
π
CQ
ICQ=10mA
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EL AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN
El circuito tiene dos partes a analizar:
•Análisis en continua: los C actúan como
circuitos abiertos, la vs desaparece y RE queda
como una única R. à Circuito de polarización
•Análisis en pequeña señal: los C actuarán como
cortocircuitos.
Elementos:
Ø C1 de acoplo impide que varie Q en la
polarización.
Ø C2 de acoplo evita el paso de continua en la
salida o bien permite acoplar otra entrada.
Ø CE , C de desacoplo permitirá controlar el valor
de ganancia.
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C de valor alto à Baja Z en alterna à Menores f
Características
amplificador:
más
importantes
de
un
•Ganancia de corriente AI
•Ganancia de tensión AV
•Impedancia de entrada Zin
•Impedancia de salida Zo
Ganancia de tensión
vin = ib*rπ + RE1*ie = ib*rπ + RE1*(β +1)*ib
vout =-β ib RL’
Av=vout/vin =-(β RL’)/ [rπ + RE1*(β +1)]
[10]
Independencia de los parámetros del transistor :β
RE1*(β +1)>> rπ à RE1 grande
β >> 1
Av=-RL’/ RE1
[11]
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
Impedancia de entrada
vin = ib*rπ + RE1*(β +1)*ib
Zit=vin/ib = rπ + RE1*(β +1) à Terminal B
Zin= vin/iin = Zit || RB = 1/[(1/RπB)+(1/Zit)] à
Fuente vs
Ganancia de corriente
Ai = iout/iin =Av (Zin/RL)
Ganancia de potencia
G = AV*Ai
Impedancia de salida
vs=0 à ib=0 à β ib = 0
Zout=RC
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
EL SEGUIDOR DE EMISOR Ó COLECTOR
COMÚN
R1, R2 y RE à Polarización
C1 y C2 à Acoplo
Colector a masa à Colector común
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
Ganancia de tensión
Av = vo/vi à
vo=RL’
(β +1) ib
vin=rπ ib + RL’(β +1)ib
R ( β + 1)
à NO INVERSOR
A =
r + R ( β + 1)
'
L
v=
'
π
L
Si rπ << RL’(β +1) à Av ≅1
Impedancia de entrada
Zit = vin/ib = [rπ ib + RL’
(1+β )ib] / ib =
= r π + RL ’
(1+β )
Zin=[ rπ + RL’
(1+β )] || RB à Muy grande
R (r + R (1 + β ))
Z =
R + r + R (1 + β )
'
π
B
L
i=
'
π
B
L
Ganancia de corriente
Ai=io/ii= vo Z in
RL vin
Z
R R (1 + β )
= Av =
≅RB||RL’
R
R + r + R (1 + β )
'
in
B
L
'
L
π
B
L
Ganancia de potencia
G=AvAi
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Impedancia de salida
Zo= vx/ix
ix-(vx/RE)+ (β +1)ib =0
RS’= R1||R2||Rs
ib RS’+ rπ ib + vx =0
[1]
[2]
De [2] à ib = -vx / (rπ + RS’
)
[3]
 − v   − v 
v
+ β
De [1] y [3] à i −
 + r + R  = 0
R
r
+
R

 

x
x
x
x
2
π
E
Reordenando
2
π
s
Zo= vx/ix =
s
1
β+ 1
1 + 

R 
r + R
'
E
π
S




R + r
ZOT =
( β + 1)
'
Llamando
S
π
Zo = RE || ZOT
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
AMPLIFICADOR EN BASE COMÚN
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
Ganancia de Tensión
Av= vo/vin
à vo=RL’
ic = -RL’
β ib
à vin=-rπ ib
Av=(-RL’
β)/rπ
Impedancia de entrada
r
R
( β + 1)
Zin=vin/iin = (-rπ ib) / [vin/RE - ie] à Zin=
r
+ R
( β + 1)
r
Zin=RE ||
β+ 1
Ganancia de Corriente
Ai=io/ii = AvZin/RL
π
E
π
R
π
Ganancia de Potencia
G=AvAi
Impedancia de salida
Zoà vs=0 à iE =0 à ic=0 à Zo = Rc
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Tema 3: El transistor bipolar de unión.
Indice ........................................................... 1
Funcionamiento básico del transistor bipolar NP . 2
EL transistor como amplificador ....................... 5
Recta de carga............................................... 6
EL TRANSISTOR PNP .................................... 10
Ejemplo pnp con recta de carga ..................... 11
Modelos en gran señal .................................. 12
Análisis de circuitos bipolares en gran señal .... 14
Polarizacion con base fija .............................. 15
POLARIZACIÓN en base fija con una β mayor .. 18
Consecuencias Sobre El Diseño Del Circuito
De Polarización ............................................ 19
Circuito de polarizacion automática ................ 20
Circuito de polarizacion automática con una beta
mayor ........................................................ 21
Polarizacion Automatica Con Cuatro Resistencias
................................................................. 22
Ejemplo 4.7. P.A con cuatro resistencias ........ 23
Diseño de circuitos de polarizacion discretos.... 24
Fuentes de corriente en la polarizacion de
circuitos integrados ...................................... 25
Circuitos equivalentes en pequeña señal ......... 26
Circuitos equivalentes en pequeña señal para el
transistor bipolar.......................................... 27
El amplificador en emisor común.................... 29
El Seguidor De Emisor Ó Colector Común........ 32
Amplificador en base común .......................... 35
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