Tema 5: Transistor Bipolar de Unión (BJT) - … Bipolar.pdf · 1 Tema 5: Transistor Bipolar de...
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1
Tema 5: Transistor Bipolar de
Unión (BJT) Contenidos
5.1 Introducción
5.2 Funcionamiento del transistor en
Zona Activa Directa
5.3 Modelo de Corrientes del Transistor.
Modelo de Ebers-Moll
5.4 Modos o Zonas de Operación
5.5 Modelos Spice
5.6 Ejemplos de puntos de operación
2
5.1 Introducción
• BJT (Bipolar Junction Transistor)
• Los transistores de unión bipolares, son dispositivos de estado sólido de tres
terminales usados en circuitos de conmutación y procesado de señal. Existen 2 tipos
transistores bipolares: transistores NPN y transistores PNP
• El transistor se ha convertido en el dispositivo más empleado en electrónica, a la vez
que se han ido incrementando sus capacidades de manejar potencias y frecuencias
elevadas, con gran fiabilidad. (No existe desgaste por partes móviles).
• Su reducido tamaño ha permitido integrar millones de ellos en un solo C.I.
• Los transistores son dispositivos activos con características altamente no lineales.
• Efecto Transistor: el transistor es un dispositivo cuya resistencia interna puede variar
en función de la señal de entrada. Esta variación de resistencia provoca que sea capaz
de regular la corriente que circula por el circuito al que está conectado:
Transfer Resistor.
3
Replica del primer transistor de válvula
Estructura simplificada de un transistor NPN
Estructura real de un
transistor PNP
NPN
Símbolos del
Transistor
Bipolar de Unión
PNP
nE > pB > nC
pE > nB > pC
4
5.2 Funcionamiento del transistor en
Zona Activa Directa
IE IB
IC
peo
nbo
pco
0 WB W
neo > pbo > nco
nb (0)
pe
nb
pc
W ↑↓
5
Suponemos: • W~WB; W↓
• Baja inyección en la base, nb(0) <<pbo
• No hay caída de potencial en las zonas neutras
0)()(
)0(
WnenWn
enn
b
VV
bob
VV
bob
TE
BC
TE
BE
Ley de la Unión
00
0
0
1)(
1)0(
)()(
b
VV
bb
VV
bb
bbb
nenWn
enn
nxnxn
TE
BC
TE
BE
W↓
n’b(0) >> n’b(W)
W
n
W
Wnn
dx
nd bbb )0()()0(
6
0
x
bbC
dx
ndqADI
10
TE
BEV
V
bbC e
W
nqADI
Si W↓ → Poca recombinación-generación → IC ~ IE
IB = IE - IC ~ 0
Intensidad de Colector en Modo Activo Directo
7
Exceso de Carga en la Base
⌂ QF ≡ Exceso de Carga en la Base
W
bbF
nqAWdxxnqAQ
0 2
)0()(
10
TE
BEV
V
bbC e
W
nqADI
C
b
F ID
WQ
2
2
⌂ τF ≡ Tiempo de transito en sentido directo
b
FD
W
2
2
F
FC
QI
Modelo de Control de Carga
IC se encarga de mantener el exceso de portadores
8
Corriente de Base
En general interesa que IB sea lo más PEQUEÑO posible, sin embargo
en la realidad NO es 0
BCBEBBB IIII IB está compuesto por 3 componentes:
IBB
Algunos minoritarios (e-) en su tránsito por la base se recombinan,
para reemplazar estos huecos hay que suministrar una corriente externa, IBB
b
BB
W
b
b
B
BBB
WIdx
xnqA
QI
0
)(
IBE
Corriente de difusión de los huecos desde la base al emisor
DE
DE
ieBE
VV
e
eeBE N
N
npIe
L
pqADI
TE
BE 2
00 1
IBC
Corriente de difusión de los huecos desde la base al colector
BCBC
VV
c
ccBC IVe
L
pqADI
TE
BC
010
9
5.3 Modelo de Corrientes del Transistor
Modelo de Ebers-Moll
C
DEIEICI
BIB
E
DCI
DEF IDCR I
n p n E
B
C
C
DEIEICI
BIB
E
DCI
DCR IDEF I
p n p E
B
C
DCDEFC
DCRDEE
III
III
DCDEFC
DCRDEE
III
III
10
Modelo de Corrientes del Transistor
Modelo de Ebers-Moll
DCDEFC
DCRDEE
III
III
DCDEFC
DCRDEE
III
III
Transistor NPN Transistor PNP
)1()1(
)1()1(
TE
BC
TE
BE
TE
BC
TE
BE
VV
CS
VV
ESFC
VV
CSR
VV
ESE
eIeII
eIeII
)1()1(
)1()1(
TE
CB
TE
EB
TE
CB
TE
EB
VV
CS
VV
ESFC
VV
CSR
VV
ESE
eIeII
eIeII
Teorema de Reciprocidad
CSRESF II
Valores Típicos: αF=0.99 αR=0.66 IES=10-15 A ICS=10-15 A
11
5.4 Modos o Zonas de Operación
, Directa
OBJETIVO: Encontrar un MODELO LINEAL
para el transistor en cada modo de operación
12
Zona Activa Directa
)1()1(
)1()1(
TE
BC
TE
BE
TE
BC
TE
BE
VV
CS
VV
ESFC
VV
CSR
VV
ESE
eIeII
eIeII
VBE > Vdon
VBC < 0
CS
VV
ESFC
CSR
VV
ESE
IeII
IeII
TE
BE
TE
BE
Despejando el término exponencial de la primera y sustituyéndolo en la segunda:
00
0
0
1
1
1)1(
)(
C
F
B
F
FCCBFCFC
CBE
RFCSC
CEFC
CSCSREFC
IIIIIII
III
II
III
IIII
F
FF
COFBFC III
1
)1( ⌂ βF ≡Ganancia de Corriente
en directo, β
Ecuaciones de Ebers-Moll
F
13
Zona Activa Directa
EC
B
EC
B
COFBFC III )1(
donV
Valores Típicos:
)1(
]7.0,5.0[
]300,50[
0 FCBF
don
F
II
VV
14
Zona Activa Inversa
)1()1(
)1()1(
TE
BC
TE
BE
TE
BC
TE
BE
VV
CS
VV
ESFC
VV
CSR
VV
ESE
eIeII
eIeII
VBC > Vdon
VBE < 0
TE
BC
TE
BC
VV
CSESFC
VV
CSRESE
eIII
eIII
)1(
1
)1(
RFESEO
R
RR
EORBRE
II
III
⌂ βR ≡Ganancia de Corriente
en inverso
R
C E
B
C E
B
0)1( ERBRE III donVE C B
Valores Típicos:
)1(
]7.0,5.0[
]10,1[
0 REBR
don
R
II
VV
15
Zona Corte
)1()1(
)1()1(
TE
BC
TE
BE
TE
BC
TE
BE
VV
CS
VV
ESFC
VV
CSR
VV
ESE
eIeII
eIeII
VBC < 0
VBE < 0 CSESFC
CSRESE
III
III
0
0
0
CEB
C
E
III
I
I
B
C E
B
16
Zona Saturación
)1()1(
)1()1(
TE
BC
TE
BE
TE
BC
TE
BE
VV
CS
VV
ESFC
VV
CSR
VV
ESE
eIeII
eIeII
VBC > Vdon
VBE > Vdon
B
Valores Típicos:
VV
VV
satCE
satBE
]2.0,05.0[
]8.0,7.0[
)(
)(
TE
BC
TE
BE
TE
BC
TE
BE
VV
CS
VV
ESFC
VV
CSR
VV
ESE
eIeII
eIeII
¡¡ No se pueden simplificar más !!
BECBCE VVV
R
Te
RB
C
RB
C
RTesatCE V
I
I
I
I
VV
1ln
11
11
ln)(
C
EB
)(satCEV
)(satBEVBC II
17
Gráficas de Intensidad
18
Tensión Early
A
CEBFC
A
CECOFBFC
V
VII
V
VIII
1
1)1(
⌂ VA ≡ Tensión Early o Factor de
Modulación de la Base
VA ↑↑ (>30V), es la pendiente de la curva en Z. Activa
19
Condiciones a Verificar
20
DCI
DEI
DEF I
DCRI
br
cr
er
cbr
ebr
B
C
E
BCQ
BEQ
CI
EI
br
cr
er
B
C
E
Modelo Ebers-Moll, incluyendo
efectos de 2º orden Modelo dinámico del BJT en Spice
dVVCeIQ
dVVCeIQ
mcV
cjc
VV
SRBC
meV
eje
VV
SFBE
BCTE
BC
BETE
BE
00
00
1)1(
1)1(
5.5 Modelos SPICE
mc
c
BC
jc
TE
VV
SR
BC
BCBC
me
e
BE
je
TE
VV
SF
BE
BEBE
V
C
V
eI
dV
dQC
V
C
V
eI
dV
dQC
TE
BC
TE
BE
1
1
0
0