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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

Electrónica Analógica

1º Licenciatura en Radioelectrónica Naval 1


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




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.




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.




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)


[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] ] [8]



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) Electrónica Analógica



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.




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




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




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




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




1.

MODELOS EN GRAN SEÑAL ACTIVO (BEà PD, BCà PI)

2.

SATURACIÓN

3.

CORTE




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




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.




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




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


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.




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




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




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




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.




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)




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% Electrónica Analógica



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




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




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) ] Electrónica Analógica



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. Electrónica Analógica



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




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.




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]




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




EL SEGUIDOR DE EMISOR Ó COLECTOR COMÚN

R1, R2 y RE à Polarización C1 y C2 à Acoplo

Colector a masa à Colector común




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




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




AMPLIFICADOR EN BASE COMÚN




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




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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