Tema 2: EL TRANSISTOR BIPOLAR - Redes

Tema 2: EL TRANSISTOR BIPOLAR
2.1 Introducción
2.2 El transistor en régimen estático
• Expresiones simplificadas en las regiones de
funcionamiento
• Curvas características del transistor (configuración
en EC).
2.3 Polarización del transistor
• Punto de trabajo (Q)
• Circuitos de polarización. Recta de carga estática
2.4 El transistor en conmutación
2.5 El transistor como amplificador
BIBLIOGRAFÍA
TEORÍA:
• 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
2.1 INTRODUCCIÓN (1)
Objetivos
Dispositivo o válvula de control que permite:
Regular un flujo de corriente mediante
una cantidad de energía pequeña (varía la
conductividad entre dos terminales actuando
sobre un tercer terminal de control)
Etimología
Transfer
resistor
BJT: Bipolar Junction Transistor
(transistor bipolar de unión)
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
P
N
P
B
TRANSISTOR P-N-P
C
E
N
P
N
C
B
TRANSISTOR N-P-N
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 trabajo
Unión b-e: polarización directa ( baja resistencia)
Unión b-c: polarización inversa ( alta resistencia)
El transistor no es la unión de dos diodos en oposición.
2.1 INTRODUCCIÓN: SÍMBOLOS
TRANSISTOR P-N-P
E
P
N
P
TRANSISTOR N-P-N
C
E
N
B
P
N
B
IB + IC = IE
C
C
B
B
IB
IC
IC
E
IE
IB
E
IE
C
2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO
1) Zona ACTIVA (activa directa)
Unión E-B: directamente polarizada
Unión C-B: inversamente polarizada
IE
IC
P
N
P
+
-
IE
IB
N
-
-
+
+
P
N
+
IB
-
V BE > 0
V BC < 0
V EB > 0
V CB < 0
IE = IC + IB
IC
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 común
β es muy variable, (valores típicos entre 10 y 600)
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:
B
IB
C
B
IB
C
IC = β I B
IC = β * IB
IE = IB + IC
E
PNP
IE = IB + IC
E
NPN
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)
Modelo aproximado de transistor CORTADO:
C
B
IB = 0
E
IC = 0
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 circuito
externo de polarización.
IC no puede aumentar más, se SATURA.
IC < β IB para
IB ≥ IBmínSAT
2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (5)
Resumiendo, tenemos:
independiente de IB para IB ≥ IBmínSAT
• IC
• VCE independiente de IB para IB ≥ IBmínSAT
VCEsat (Si) ≈ 0.2V independiente de IB, IC
(a veces se aproxima a 0v)
Modelo del transistor en la zona de SATURACIÓN:
C
B
B
C
0.7V
O.2V
B
C
0.7V
O.2V
E
Modelo
ideal
E
PNP
E
NPN
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, ya
que el transistor no es simétrico funcionalmente.
• Se utiliza en aplicaciones digitales (puertas TTL).
“ALGORITMO” PARA DETERMINAR LA ZONA DE
FUNCIONAMIENTO 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 SATURACIÓN:
∗ 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 ser
compatibles con los límites de la(s) tensión(es) de alimentación
Curvas características
Configuración en Emisor común (EC)
Característica de salida (corriente de colector)
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 los
terminales 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)
Circuitos de Polarización. Recta
de carga estática
Q(VCEQ , ICQ)
V CC
IC
IB
B
RB
RC
VCC = I C * RC + VCE
C
E
NPN EMISOR COMÚN
VCC − VCE VCC
1
=
−
IC =
*VCE
RC
RC RC
Recta de carga estática
Circuitos de Polarización. Recta
de carga estática (2)
Ic
SATURACIÓN
Vcc
Rc
ICQ
P CMÁX
Q
CORTE
V CEQ
Elección del punto de reposo (Q):
Vcc
V CE
VCC − VBE
Se diseña IB y se calcula RB de forma que: I B =
RB
Datos: VCC, RC
Tipos de polarización.
Polarización fija
VCC
RB
RC
• IB = (Vcc - VBE) / RB
≈ Vcc / RB = cte
• IC = β IB
Polarización con realimentación
de colector
VCC
RB
RC
• IB no es fija, depende
de VC
• Realimentación
negativa
• Q es más estable
ante variaciones de β
Polarización con divisor de tensión
y realimentación de emisor
VCC
R1
RC
R2
RE
• IB no es fija, depende
de R1 // R2, RE
• Realimentación
negativa
• Q más estable que en
el caso anterior
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)
El transistor en conmutación (2)
V CC
IC
IB
Ve
B
RB
RC
C
Vs
• Si el transistor conmuta entre
corte y saturación, tanto la
entrada como la salida son
“digitales”.
E
• La conmutación se considerará instantánea, si bien
existen retardos debido a la redistribución de cargas en
las uniones.
El transistor en conmutación (3)
• Corte:
Ve < 0.6V
• Saturación: IC < β*IB
⇒ Vs = Vcc
⇒ Vs = 0.2V
Ve − 0.6V
VCC − 0.2V
IB =
; IC =
RB
RC
VCC − 0.2V
Ve − 0.6V
<β*
RC
RB
VCC − 0.2V
+ 0.6V = Vesat
Ve > RB *
β * RC
I Bsatmin
Vesat − 0.6
VCC − 0.2V
=
; I Csat =
RB
RC
El transistor en conmutación (4)
Ve
Ve
sat
Ve corte
t
Vs
Vcc
Vce sat
t
Inversor elemental (desfase de 180°)
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 VBB
en serie con
∗ un generador de alterna de valor vs = Vp*sin(wt)
• La corriente de base varía entre los límites (suponiendo
VBE ≅ cte):
I B máx
iB
VBB + VP ) − VBE
(
=
RB
VBB + VP * sin( wt ) ) − VBE
(
(t ) =
RB
I B mín
VBB − VP ) − VBE
(
=
RB
El transistor como amplificador(3)
• Suponiendo que, en todo momento, el transistor permanece
en la zona activa, entonces la corriente de colector variará
entre los límites:
I C máx = β * I B máx
iC (t ) = β * iB
VBB + VP ) − VBE
(
=β*
RB
VBB + VP * sin( wt ) ) − VBE
(
(t ) = β *
I C mín = β * I B mín
RB
VBB − VP ) − VBE
(
=β*
RB
El transistor como amplificador(4)
• Lo que implica una variación de la tensión colectoremisor, entre los límites:
VCE mín = Vcc − RC * I C máx = Vcc − RC
VBB + VP ) − VBE
(
*β *
RB
vCE (t ) = Vcc − RC * iC (t )
VCE máx = Vcc − RC * I C mín = Vcc − RC
VBB − VP ) − VBE
(
*β *
RB
• Ganancia de corriente:
∆iC / ∆iB
• Ganancia de tensión:
∆vCE / ∆vs siendo vs la entrada alterna
(donde las minúsculas significan magnitudes instantáneas)