15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares1 INTRODUCCIÓN Son dispositivos de estado sólido (semiconductores) Tienen tres terminales: Emisor, base y colector.

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1 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares1 INTRODUCCIÓN Son dispositivos de estado sólido (semiconductores) Tienen tres terminales: Emisor, base y colector Están compuestos por dos uniones PN yuxtapuestas que se interrelacionan entre sí. Son la base de muchos circuitos de conmutación y de procesado de señal. Los amplificadores operacionales y otros C.I. pueden contener varias decenas de transistores, cada uno de ellos con misiones diferentes: Implementar fuentes de corriente constante Generar tensiones de referencia Amplificar señales en modo diferencial y reducir la ganancia en modo común Implementar etapas de salida, etc....

2 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares2 INTRODUCCIÓN (continuación) En Electrónica de Potencia pueden funcionar como interruptores de potencia, conmutando corrientes elevadas a elevadas frecuencias y tensiones. En Electrónica digital forman parte de muchos dispositivos lógicos integrados. Se denominan bipolares porque su funcionamiento depende del flujo de dos tipos de portadores de carga: electrones y huecos. También se suelen denominar B.J.T. De las siglas en inglés Bipolar Juntion Transistor

3 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares3 Tipos y modelos del transistor bipolar Existen dos tipos de transistores bipolares según su estructura: Transistores bipolares NPN Transistores bipolares PNP

4 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares4 Tipos y modelos del transistor bipolar (cont) NPN PNP

5 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares5 Tipos y modelos del transistor bipolar (cont) NPN PNP Los sentidos de las flechas del terminal de emisor, y de las corrientes, indican el sentido real de las mismas cuando el transistor está polarizado en la R.A.N o en saturación.

6 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares6 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN El modelo muestra al transistor NPN como dos diodos conectados por los ánodos, con dos fuentes de corriente dependientes en paralelo con cada uno de los diodos, que modelizan el efecto de las inter-acciones que tienen lugar debido a la configuración monocristal. Existen dos uniones: La unión base-emisor, cuya corriente la denominamos: i DE La unión base-colector, cuya corriente la denominamos: i DC

7 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares7 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont) La fuente de corriente dependiente α F i DE representa el efecto de la corriente a través de la unión base-emisor sobre la corriente de colector (efecto Transistor). La fuente de corriente dependiente α R i DC representa el efecto de la corriente a través de la unión base-colector base sobre la corriente de emisor (efecto dual al anterior). El circuito no es simétrico, ya que α F tiene unos valores comprendidos entre 0,99 y 0,997 para transistores utilizados en aplicaciones analógicas y digitales., mientras que α R es considerablemente menor que 1. Su valor está comprendido entre 0,05 y 0,5. En Electrónica Física, se puede demostrar la siguiente relación, denominada LEY DE RECIPROCIDAD: α F I ES = α R I CS =I S Donde: I ES = Corriente inversa de saturación de la unión base-emisor Y I CS = Corriente inversa de saturación de la unión base-colector. De donde se deduce que

8 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares8 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont) Del modelo de Ebers-Moll y de la Ley de Reciprocidad, se pueden deducir fácilmente las dos ecuaciones no lineales siguientes : Es decir:

9 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares9 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont) Del modelo de Ebers-Moll y de la Ley de Reciprocidad, se pueden deducir fácilmente las dos ecuaciones no lineales siguientes : Es decir:

10 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares10 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont) Estas dos ecuaciones definen a un primer nivel,sin efectos secundarios, el modelo del transistor bipolar NPN, y corresponde a un sistema de dos ecuaciones con cuatro incógnitas. La otras dos ecuaciones vendrán impuesta por el circuito exterior, y corresponderán a las ecuaciones de polarización.

11 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares11 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont) El conjunto de las ecuaciones de Ebers-Moll, junto con las ecuaciones de polarización de continua (impuestas por el circuito de polarización exterior, darán lugar al régimen de corrientes y tensiones que se establezcan en los terminales del dispositivo, denominado punto de operación del transistor. El modelo de Ebers Moll es un modelo poco manejable, pero válido en cualquier circunstancia, siempre que no entren e ruptura ninguna de las uniones. Según como estén polarizadas las uniones, pueden encontrarse modelos basados en el anterior, pero mas sencillos y manejables.

12 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares12 Regiones de Polarización de un transistor bipolar Existen cuatro posibles regiones, según como estén polarizadas las uniones base- emisor y base-colector APLICACIÓNREGIÓN DE POLARIZACIÓN POLARIZACIÓN DE LAS UNIONES UNIÓN BASE-EMISOR UNIÓN BASE-COLECTOR Funcionamiento como amplificador REGIÓN ACTIVA DIRECTA DIRECTA. INVERSA (No se utiliza)REGIÓN ACTIVA INVERSA INVERSADIRECTA Func. como conmutador (off) REGIÓN DE CORTE INVERSA Func. como conmutador (on) REGIÓN DE SATURACIÓN DIRECTA

13 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares13 Modelos simplificados según la región de polarización Región Activa Normal (R.A. Directa) La unión base-emisor polarizada directamente y la unión base-colector polarizada inversamente. De las ecuaciones de Ebers-Moll se deduce :

14 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares14 Modelos simplificados según la región de polarización.- R.A.D. (R.A.N.) Región Activa Normal (R.A. Directa) Por tanto:y teniendo en cuenta que:i C +i B =i E : Se deduce que:

15 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares15 Modelo simplificado del BJT en la R.A.N. Por tanto, podemos decir que en la R.A.N..el transistor bipolar equivale al siguiente circuito:

16 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares16 Modelo simplificado del BJT en la R.A.N. (CONT) 0,2 0,7 0,2 (a) Región activa Es decir: v BE =V BEQ i C =β i B Por tanto el transistor funciona como un amplificador de corriente

17 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares17 Modelo simplificado del BJT en la R.A.N. (CONT) La figura d) representa un BJT NPN, en el límite de la R.A.N La figura f) representa la exponencial que relaciona i C con v BE cuya expresión viene dada (pag14) por:

18 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares18 Modelo simplificado del BJT en la R.A.N. (CONT) En la R.A.N, se verifica que: Esta expresión es muy importante, ya que para transistores idénticos y a la misma temperatura, si tienen la misma tensión base-emisor, tendrán la misma corriente de colector. (Esta propiedad se emplea mucho en C.integrados, para implementar fuentes de corriente constante )

19 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares19 Modelo simplificado del BJT en la Región de Saturación La unión base-emisor polarizada directamente y la unión base-colector polarizada también directamente. 0,7 0,2 0,7 (b) Región de saturación

20 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares20 Modelo simplificado del BJT en la Región de saturación (Cont) La unión base-emisor polarizada directamente y la unión base-colector polarizada también directamente. En el límite de la región de saturación a la R.A.N., v BE vale aproximadamente 0,7 voltios, y v BC = tensión umbral=0,5 voltios, por lo que V CE valdrá 0,2 voltios, por eso se modela la tensión V CE como una fuente de tensión constante de 0,2 voltios, aunque puede ser menor. La tensión V BE en saturación, debido a que la corriente de base suele ser bastante elevada, puede llegar a ser de 0,8 voltios en transistores de baja potencia

21 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares21 Modelo simplificado en la región de corte La unión base-emisor polarizada inversamente y la unión base- colector polarizada también inversamente. En transistores de Si, a temperaturas no muy elevadas, I B =I C =0

22 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares22 Modelo simplificado en la región de corte (Cont) La unión base-emisor polarizada inversamente y la unión base- colector polarizada también inversamente. Un modelo de mayor exactitud, de las ecuaciones de Ebers Moll, es no despreciar los términos en I S Un parámetro que suelen dar los fabricantes es I CB0, (corriente de circulación inversa entre colector y base, con el emisor abierto. Se deduce fácilmente que : (Parámetro muy dependiente de la temperatura)

23 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares23 Modelo simplificado en la región activa inversa La unión base-emisor polarizada inversamente y la unión base- colector polarizada directamente.

24 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares24 Modelo simplificado en la región activa inversa (Cont) En funcionamiento activo inverso los papeles de emisor y colector se invierten, respecto a la región activa directa. La corriente de emisor es β R i B, donde: El sentido real de las corrientes i E e i C es ahora el contrario del indicado en la figura (b) Como β R es mucho menor que β F, la ganancia en esta región es muy pequeña, y no tiene ninguna utilidad trabajar en ella.

25 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares25 Ejemplo de análisis del P.O. De un transistor (a) Circuito real(b) Circuito equivalente suponiendo funcionamiento en la región de corte (c) Circuito equivalente suponiendo funcionamiento en la región de saturación (d) Circuito equivalente suponiendo funcionamiento en la región activa

26 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares26 Aplicaciones del transistor Polarizado en la Región activa directa: Funcionamiento aproximadamente lineal. Amplificadores de tensión, de corriente,fuentes de corriente, adaptación de impedancias, cargas activas... Empleo masivo en circuitos integrados lineales y no lineales Polarizado en corte o en saturación: Funcionamiento como conmutador de alta frecuencia y de potencia. Actualmente la utilización del transistor bipolar discreto está prácticamente limitada a etapas de salida y como conmutador

27 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares27 Polarización del transistor. Ecuaciones de polarización. Recta de carga Para que el transistor funcione en alguna de las regiones, es necesario polarizarlo mediante una red externa de continua. El transistor es un dispositivo de tres terminales. Para definir su estado, o lo que es lo mismo, las corrientes y tensiones existentes en el dispositivo, debemos conocer seis variables: I B, I C, I E, V BE,V BC, y V CE.

28 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares28 Polarización del transistor. Ecuaciones de polarización.(Cont) De las seis variables, I B, I C, I E, V BE,V BC, y V CE, nada mas son independientes 4, ya que por las leyes de Kirchof, I B +I C =I E V BC +V CE =V BE Tomaremos normalmente las variables I B, I C,V BE y V CE Por tanto necesitamos cuatro ecuaciones para resolver las corrientes y tensiones en el transistor. Dos ecuaciones nos las proporciona el modelo del dispositivo. Las otras dos ecuaciones nos las proporcionará la red de polarización externa

29 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares29 Polarización del transistor. Ecuaciones de polarización.(Cont) La red de polarización externa es de continua. Las dos ecuaciones que impone la red de polarización en continua se denominan: ECUACIONES DE POLARIZACIÓN En Régimen de tensiones y corrientes constantes, en ausencia de señales, el circuito estará compuesto exclusivamente por: Fuentes de tensión continuas y constantes. Fuentes de corriente continuas y constantes. Resistencias Las capacidades las podremos considerar C.A. Y las autoinducciones C.C.

30 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares30 Ecuaciones de polarización.(Cont) Cualquier circuito externo de polarización en continua, lo podemos reducir a otro totalmente equivalente compuesto por tres resistencias y dos fuentes de tensión constantes, en una generalización del Teorema de Thévenin aplicado a triterminales: V BE =E BE -R B I B -R E I E V CE =E CE -R C I C -R E I E Pero: I B +I C =I E Por tanto: V BE = E BE - (R B+ R E ) I B - R E I C V CE = E CE - R E I B - (R C +R E ) I C

31 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares31 Ecuaciones de polarización.(Cont) Estas son las dos ecuaciones de polarización: [1] V BE = E BE - (R B+ R E ) I B - R E I C [2] V CE = E CE - R E I B - (R C +R E ) I C La ecuación [1] corresponde a la portada de entrada La ecuación [2] corresponde a la portada de salida

32 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares32 Ecuaciones de polarización.(Cont) [1] V BE = E BE - (R B+ R E ) I B - R E I C [2] V CE = E CE - R E I B - (R C +R E ) I C OBSERVACIONES : Las ecuaciones de polarización se han desarrollado sin tener en cuenta para nada las características del dispositivo de tres terminales, y por tanto son aplicables a cualquier elemento de tres terminales, sin mas que cambiar los subíndices empleados. En general, B=1, C=2, E=3. Las ecuaciones de polarización solo dependen de la red de polarización externa

33 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares33 Ecuaciones de polarización.(Cont) [1] V BE = E BE - (R B+ R E ) I B - R E I C [2] V CE = E CE - R E I B - (R C +R E ) I C Las ecuaciones [1] y [2] pueden ponerse en forma matricial:

34 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares34 Recta de carga estática [1] V BE = E BE - (R B+ R E ) I B - R E I C [2] V CE = E CE - R E I B - (R C +R E ) I C Si en el circuito de polarización normalizado, R E =0, entonces las ecuaciones de polarización se reducen a : [2] V BE = E BE - (R B ) I B [3] V CE = E CE - (R C ) I C Entonces la ecuación [2] puede representarse en el plano I B -V BE y es la denominada recta estática de la portada de entrada. Entonces la ecuación [3] puede representarse en el plano I C -V CE y es la denominada recta estática de la portada de salida.

35 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares35 Recta de carga estática (Cont) La intersección de la R.E.C. de la entrada, con la característica corriente tensión de la unión base- emisor, es el Punto de operación del diodo base-emisor. I BQ,I CQ La intersección de la R.E.C. de la salida, con las curvas características de salida del transistor, es el Punto de operación de la portada de salida: I CQ, V CEQ

36 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares36 Punto de operación del transistor bipolar en la Región Activa Directa Si suponemos que el transistor está en la R.A.D.: v BE =V BEQ =0,7 v. (Si, NPN), y I C =β I B, que junto con las ecuaciones de polarización, su resolución, nos dará el P.O. [1] V BEQ = E BE - (R B+ R E ) I BQ - R E I CQ [2] V CEQ = E CE - R E I BQ - (R C +R E ) I CQ Sustituyendo I BQ por I CQ /β, y agrupando términos:

37 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares37 Punto de operación del transistor bipolar en la Región Activa Directa (Cont) El Punto de operación, tanto de la portada de entrada como de la portada de salida queda por tanto definido. V BE =V BEQ. (0,6 a 0,7 voltios en transistores bipolares de Si. I C =I CQ, viene dado por la expresión [1] V CE =V CEQ, viene dado por la expresión [2], en función de I CQ I B =I BQ =I CQ /β

38 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares38 Punto de operación del transistor bipolar en la Región Activa Directa (Cont) CONSIDERACIONES IMPORTANTES: El valor de beta es fuertemente dependiente de la temperatura. En transistores discretos tiene una dispersión en su valor muy importante, incluso para transistores del mismo tipo y a igual temperatura. Para las aplicaciones del B.J.T. en la R.A.D., es necesario garantizar la estabilidad del P.O. en lo referente a la portada de salida (I CQ y V CEQ ) Es necesario garantizar la estabilidad y reproductibilidad de I CQ y de V CEQ

39 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares39 Punto de operación del transistor bipolar en la Región Activa Directa (Cont) Para garantizar un valor de I CQ constante, y que se pueda reproducir y conseguir que no varíe, deberá hacerse independiente de beta, con una beta mínima lo suficientemente elevada ya que ésta es muy variable, y por tanto el diseño de la red de polarización deberá se tal que cumpla: En el diseño, se puede aplicar la relación 1/10 ó 1/20, según el error admisible

40 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares40 Punto de operación del transistor bipolar en la Región Activa Directa (Cont) Si garantizamos I CQ constante, V CEQ también será constante, siempre que beta>>1 Para garantizar I CQ constante, también es necesario que E BE >> V BEQ, ya que así las pequeñas variaciones de V BEQ no afectarán de forma importante. IMPORTANTE: El valor de V CEQ resultante debe ser mayor de 0,2 voltios (Si, NPN), si no, la hipótesis de R.A.D. no es cierta, y habrá que realizar el análisis suponiéndolo en la Región de Saturación

41 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares41 EL TRANSISTOR PNP POLARIZADO EN LA R.A.N. a)Estructura básica de un transistor PNP polarizado en la R.A.N b)Esquema de un transitor PNP polarizado en la R.A.N. (sentido real de las corrientes) c)Modelo de Ebers-Moll del transistor bipolar PNP (sentido real de las corrientes)

42 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares42 EL TRANSISTOR PNP POLARIZADO EN LA R.A.N. (cont) También se pueden suponer los sentidos de las corrientes igual que en el transistor NPN, y obtener resultados totalmente válidos, con la salvedad, que las corrientes resultantes en la R.A.N. serián negativas.

43 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares43 EL TRANSISTOR PNP POLARIZADO EN LA R.A.N. (cont) Los transistores PNP pueden polarizarse exactamente igual que los transistores NPN: R.A.N.V EB > V γ ó V BE <- V γ V BEQ =-0,7 voltios (Si) R.A.N.V CB - V γ I CQ =β F I BQ R.CORTEV EB - V γ R.CORTEV CB - V γ I CQ I BQ 0 REGIÓNV EB > V γ ó V BE <- V γ V BEQ = -0,8 voltios (Si) SATURA.V CB >V γ ó V BC < - V γ V CEQ = -0,2 voltios (Si)

44 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares44 EL TRANSISTOR PNP POLARIZADO EN LA R.A.N. (cont) EJEMPLO: Para que la unión base-emisor esté polarizada directamente, E BE debe ser menor que -0,5 v., prácticamente, menor que -0,7 voltios Para que el transistor esté polarizado en la R.A.N., E CE debe ser negativa. En la R.A.N., con los sentidos indicados de las corrientes:: I B <0, I c <0, I E <0 V BEQ <0 (-0,7 voltios (Si)), V CEQ <-0,2 voltios

45 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares45 ANÁLISIS SIMPLIFICADO DE TRANSITORES: HIPÓTESIS DE β INFINITA Si el transistor se encuentra en la R.A.N, y tiene un valor de β F suficientemente elevado, I CQ I EQ, y en determinadas ocasiones, la corriente de base se puede despreciar, frente a la corriente de colector, a efectos del cáculo del punto de operación HIPÓTESIS DE TRABAJO: 1°)V BE =V BEQ (+0,6 v. (NPN Si) ó -0,6 v. (PNP Si) ) 2°) I B =0, I CQ I EQ

46 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares46 ANÁLISIS SIMPLIFICADO DE TRANSITORES: HIPÓTESIS DE β INFINITA (cont) HIPÓTESIS DE TRABAJO: 1°)V BE =V BEQ (+0,6 v. (NPN Si) ó -0,6 v. (PNP Si) ) 2°) I B =0, I CQ I EQ PRECAUCIONES AL EMPLEAR ESTA HIPÓTESIS: El transistor debe estar en en la R.A.N La β F debe ser lo suficientemente alta. La topología del circuito debe ser compatible con la hipótesis de trabajo

47 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares47 ANÁLISIS SIMPLIFICADO DE TRANSITORES: HIPÓTESIS DE β INFINITA (cont) La topología del circuito debe ser compatible con la hipótesis de trabajo; Ejemplo de circuito en el que no se puede aplicar la hipótesis de β infinita:

48 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares48 ANÁLISIS SIMPLIFICADO DE TRANSITORES: HIPÓTESIS DE β INFINITA (cont), Ejemplo de circuito que se puede resolver con la hipótesis de β infinita

49 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares49 ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON NIVELES DE CORRIENTES BAJOS Cuando asumimos que V BEQ =0,7 voltios,suponemos tácitamente que la corriente a través de emisor es de varios miliamperios., suposición válida en la mayoría de los casos. La suposición falla cuando se trabaja con niveles de corrientes muy bajos. En estos casos, el modelo que mas se aproxima a la realidad, es el que presenta a transistor como una fuente de corriente no lineal, gobernada por la tensión base-emisor: Una observación: En la R.A.N.,Transistores idénticos a igual temperatura, e igual tensión base-emisor, tienen la misma corriente de colector

50 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares50 ANÁLISIS DEL P.O. CUANDO EL TRANSISTOR ESTÁ EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN Las dos ecuaciones de polarización, junto con el modelo simplificado del transistor bipolar, en la región de saturación, dan lugar a un sistema de cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas: [1] V BE = E BE - (R B +R E ) I B - R E I C [2] V CE = E CE - R E I B - (R C +R E ) I C que junto con: V BE = V BES y V CE =V CES Darán lugar a encontrar I BQ, e I CQ Nota: en saturación I BQ > I CQ /β F Es necesario comprobar que se cumple esta desigualdad,

51 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares51 ANÁLISIS DEL P.O. CUANDO EL TRANSISTOR ESTÁ EN LA REGIÓN DE SATURACIÓN V BE = E BE - (R B +R E ) I B - R E I C V CE = E CE - R E I B - (R C +R E ) I C V BE = V BES y V CE =V CES Darán lugar a encontrar I BQ, e I CQ Nota: en saturación I BQ > I CQ /β F Es necesario comprobar que se cumple esta desigualdad,

52 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares52 Principios de diseño de Circuitos de Polarización El objetivo fundamental de la polarización de un transistor es tener un punto de operación adecuado para que el transistor funcione en la R.A.N., si se desea que funcione como amplificador.

53 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares53 Si el P.O. está muy cerca del eje de abcisas significa que está próximo a la región de corte Si el P.O. está muy cerca de eje de ordenadas, significa que está próximo a la región de saturación. Principios de diseño de Circuitos de Polarización (Continuación)

54 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares54 Al superponer una señal variable a la corriente de base, el P.O. se desplazará por la recta dinámica de carga Si el objetivo que perseguimos es obtener la máxima excursión simétrica posible, el P.O. deberá estar ubicado en la mitad de la recta dinámica de carga. Si el objetivo perseguido es tener un consumo bajo en reposo, el P.O. deberá fijarse cerca del eje de abcisas (I CQ pequeña) Principios de diseño de Circuitos de Polarización (Cont.)

55 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares55 Determinación gráfica de las componentes de señal v be, i b, y v ce, cuando se superpone una componente de señal v i a la tensión V BB de polarización.

56 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares56 Concepto de recta estática de carga y Recta dinámica de carga La recta de carga estática viene definida por la ecuación de polarización de la portada de salida. La recta de carga dinámica viene definida por la relación que impone el circuito exterior entre la componente alterna de la corriente de colector y la componente alterna de la tensión colector-emisor.(Circuito equivalente de alterna)

57 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares57 R.E.C. (si:I C ~I E ) Si C2 es un cortocircuito para la c.a.: R.D.C. : (Recta Dinámica de Carga)

58 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares58 C.F.D.=R.D.C. El C.F.D es una recta que pasa por el P.O y en este caso tiene mayor Pendiente Al superponer la c.a., el P.O se desplazará a través del C.F.D. (Camino de funcionamiento dinámico )

59 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares59 Diseño Del P.O. Para Fijarlo En La Mitad De La R.D.C. Donde R L es la resistencia equivalente del circuito de alterna Pero i c =i C -I CQ, y v ce =v CE -V CEQ R.D.C. Referida a los ejes centrados en Q:

60 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares60 Diseño Del P.O. Para Fijarlo En La Mitad De La R.D.C. (Continuación) La ecuación de la R.D.C., Referida a los ejes principales es: Para obtener la máxima excursión simétrica, el P.O debe estar Situado en la mitad de la recta dinámica de carga

61 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares61 Diseño del P.O. Para fijarlo en la mitad de la R.D.C. (Continuación) La ordenada en el origen es (para v CE =0) : Si deseamos que la excursión máxima del P.O sea simétrica: I CMáx debe ser igual a 2 I CQ, y por tanto se debe de cumplir: Que es la condición de diseño buscada para obtener la máxima excusión simétrica del P.O.

62 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares62 EJEMPLOS :

63 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares63 La potencia instantánea absorbida o entregada por un transistor, al igual que en cualquier otro dispositivo tri-terminal, será: Normalmente la potencia de la portada de entrada es despreciable frente a la potencia de la portada de salida. El valor medio de la potencia será: Potencia disipada en un Transistor

64 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares64 Potencia disipada en un Transistor (Cont) Donde si estamos en la R.A.N: i C =i c +I CQ, y v CE =v ce +V CEQ Sustituyendo y operando: Pero:(Resistencia dinámica de carga) Por tanto:

65 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares65 Potencia disipada en un Transistor (Cont) O bien: Valor eficaz al cuadrado Donde :I CQ V CEQ es la potencia disipada en ausencia de señal (En reposo) CONCLUSIÓN IMPORTANTE: La potencia disipada por un transistor en la R.A.N es máxima en ausencia de señal

66 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares66 Amplificadores con Transistores Principios de análisis en pequeña señal Introducción : Concepto de linealización de un dispositivo no lineal Condiciones para la aplicación de un modelo linealizado Dependencia de los parámetros lineales con el P.O del dispositivo Concepto de señal incremental ó pequeña señal

67 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares67 El transistor bipolar, es un dispositivo triterminal no lineal Trabajando en la R.A.N.su modelo aproximado es: Donde las variables de tensiones y corrientes son las totales (Componente continua + componente alterna) (npn) (pnp) Modelo Incremental Del BJT

68 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares68 El circuito equivalente a efectos solamente de la componente alterna de pequeña señal de la unión base-emisor polarizada directamente es una resistencia r π : la resistencia dinámica del diodo Base-emisor, que es fuertemente dependiente del P.O., es decir de la corriente de base La fuente de corriente, a efectos de la componente variable, seguirá teniendo el mismo modelo y el mismo signo Modelo incremental del BJT (Cont)

69 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares69 Es decir, siempre que se cumpla que la excursión de P.O., es lo suficientemente pequeña, como para considerar que r ¶ permanece constante, el modelo incremental de alterna para el transistor bipolar ideal,ya sea npn o pnp será: Ideal= sin considerar efectos secundarios Transistor previamente polarizado en un P.O.,dentro de la R.A.N Modelo incremental del BJT (Cont)

70 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares70 Un modelo alternativo al empleo de la fuente de corriente dependiente de la corriente incremental de base,es sustituirla por: una fuente de corriente dependiente de la tensión incremental base-emisor Modelos Incrementales Híbridos En Pi

71 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares71 Los dos modelos alternativos que podemos emplear en el análisis de circuitos incrementales con transistores ideales: v π =v be Modelos Incrementales Híbridos En Pi

72 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares72 Efecto Early, Resistencia de salida Efecto de realimentación interna de la salida a la entrada Efecto de las resistencias de los bloques de base, colector y emisor Efecto de las capacidades de las uniones(de difusión y de deplexión) Efecto de capacidades parásitas Efecto de la temperatura en los valores de los parámetros Modelo Incremental Del Transistor Bipolar Considerando Efectos Secundarios

73 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares73 Efecto Early, Resistencia de salida La ganancia β F depende también del valor de V CE, según la expresión:

74 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares74 Efecto Early, Resistencia de salida (cont) Fue Early el que estudiando este efecto, observó y comprobó que todas las características de salida en la R.A.N, tendían a converger en un punto del eje de abcisas, -V A En el circuito incremental equivalente, el citado efecto se modela por una resistencia en paralelo con la fuente de corriente

75 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares75 Efecto de realimentación interna de la salida a la entrada γ v ce recoge el efecto de la realimentación interna de salida a entrada.

76 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares76 Resistencia de base, colector y emisor r b = Resistencia de difusión de base (resistencia del bloque de base), relativamente elevada. Valor típico 100 ohmios. r c = Resistencia de colector. Valores típicos entre 10 y 100 ohmios. (en transistores de baja potencia). R e = Resistencia de emisor, que es sensiblemente mas baja, (1 ohmio)

77 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares77 Modelo estático SPICE, incluidos efectos secundarios

78 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares78 Modelo Incremental Del Transistor Bipolar Considerando Efectos Secundarios (Cont) Efecto de realimentación interna de la salida a la entrada Una alternativa al empleo de la fuente dependiente (γ v ce ), es la utilización de una resistencia r μ entre base y colector

79 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares79 Capacidades parásitas Al igual que vimos en los diodos, en las dos uniones del transistor bipolar, aparecen los mismos fenómenos de acumulación de cargas, las llamadas capacidades de difusión y de deplexión, predominando la de difusión en las uniones que estén polarizadas directamente, y la de deplexión en las que las uniones estén polarizadas inversamente. El concepto de capacidades incrementales de difusión y de deplexión es perfectamente aplicable aquí.

80 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares80 Modelo dinámico del transistor bipolar El circuito de la figura es el modelo dinámico del transistor bipolar, donde aparece también la capacidad de deplexión entre colector y sustrato en circuitos integrados.

81 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares81 rμrμ r b resistencia del bloque de base r μ efecto de realimentación interna (normalmente despreciable) rbrb c π Capacidad incremental de difusión (La unión base-emisor polarizada directamente) c μ Capacidad incremental de deplexión. (La unión base-colector polarizada inversamente) Modelo de alta frecuencia del transistor bipolar

82 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares82 Variación de las parámetros con la temperatura La tensión de la unión base-emisor polarizada directamente, tal como vimos en diodos, disminuye a razón de -2mV/ºC, La características de salida aumentan su separación, y se desplazana hacia arriba, debido al incremento de la temperatura, según la expresión: XTB es una constante denominada exponente de temperatura (con XTR 1,7 β se duplica de 27 a 175ºC)

83 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares83 Funcionamiento del transistor como interruptor estático Con la señal v c (t), el transistor, idealmente pasa de saturación a corte instantáneamente. Debido a los efectos de acumulación de cargas, el proceso de conmutación en el transistor, tiene parecidas características que el de conmutación de diodos, limitando la velocidad de conmutación, y por tanto la frecuencia útil de trabajo, en función de las características dinámicas del transistor. En el proceso de conmutación dinámica de un transistor, existe una pérdida de energía, que habrá que limitar a valores admisibles.

84 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares84 Conmutación dinámica del transistor bipolar En la figura se aprecia como la tensión a la salida no cambia instantáneamente, siguiendo a la señal de control, debido a los efectos de las capacidades de difusión y deplexión. (consulte bibliografía (pag 267 Malik)

85 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares85 Modelo dinámico SPICE del transistor bipolar

86 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares86 La linealización de dispositivos no lineales de tres terminales, es un proceso de aproximación del modelo no lineal, a un modelo lineal, truncando los correspondientes desarrollos en serie de Taylor a partir de los términos de 2º Orden Aunque el proceso es válido para cualquier dispositivo de tres terminales, vamos a particularizarlo para el transistor bipolar Donde: Introducción a la Teoría de Cuadripolos y Triterminales Lineales

87 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares87 Llamando: Donde los h je son los denominados: Parámetros incrementales híbridos h referidos a emisor común Introducción a la Teoría de Cuadripolos y Triterminales (Cont)

88 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares88 De estas ecuaciones lineales, podemos deducir el circuito incremental equivalente: Introducción a la Teoría de Cuadripolos y Triterminales (Cont)

89 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares89 Parámetros incrementales Híbridos h

90 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares90 Límite inferior:La señal mínima que se podrá aplicar, depende del ruido eléctrico inherente al circuito Límite superior:La señal máxima aplicada, depende de la máxima distorsión admisible En teoría, se demuestra que : (véase bibliografía) Donde v T es la tensión térmica ¡ a 27ºC, v be debe ser menor o igual que 5 mv.! Condiciones que debe de cumplir la señal aplicada para poder emplear el circuito incremental equivalente del B.J.T:

91 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares91 Ya que : Por tanto: Un transistor conectado como diodo (uniendo base con colector),equivale incrementalmente a una resistencia de valor : Transistores conectados como diodos

92 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares92 CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑA SEÑAL Una vez polarizado el transistor en un P.O. en la R.A.N., el siguiente paso es superponer una señal variable,aplicándola en un punto del circuito, y extraer la respuesta en algún otro punto, sin que el acoplamiento de la fuente se señal modifique el punto de operación del transistor cuando la fuente de señal es nula. También, en el acoplamiento de la señal de salida de una etapa, a la entrada de otra etapa, no se puede alterar el P.O. de los transistores, si la señal variable de entrada es nula. El acoplamiento de las señales, y el de etapas, puede realizarse de dos formas: Circuitos de acoplamiento directo, y circuitos de acoplamiento a través de capacidades

93 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares93 CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑA SEÑAL CIRCUITOS DE ACOPLAMIENTO DIRECTO En la mayoría de los integrados, el acoplamiento de las señales, y entre etapas es directo. Los circuitos de polarización deben diseñarse adecuadamente para que dicho acoplamiento no altere sensiblemente el P.O. de los transistores en ausencia de señal, (v s =0) (cortocircuito). Además, en ausencia de señal, interesa normalmente que la tensión de salida sea también nula. Si el acoplamiento es directo, la única posibilidad es emplear alimentaciones dobles y/o fuentes de corriente constantes.

94 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares94 CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑA SEÑAL CIRCUITOS DE ACOPLAMIENTO DIRECTO (CONT) En la figura a) vemos como al cerrar en interruptor, aún cuando la señal sea nula, el punto de operación del transistor se altera. En la figura b), una alternativa poco práctica, superponer a la fuente de señal un nivel de continua igual a V BQ

95 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares95 CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑA SEÑAL CIRCUITOS DE ACOPLAMIENTO DIRECTO (CONT) VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS CIRCUITOS CON ACOPLAMIENTO DIRECTO: VENTAJAS: Pueden procesar señales que varíen muy lentamente, amplificando tanto niveles de continua como de alterna. Hay muchas magnitudes físicas en el entorno industrial, cuyas variaciones son muy lentas, como por ejemplo, temperatura, presión, deformaciones, humedad relativa, velocidad del viento, luminosidad ambiental, INCONVENIENTES: Cualquier desviación del P.O. De alguno de los transistores del circuito, afecta a la salida en mayor o menor grado, provocando tensiones de desplazamiento a la salida en ausencia de señal.

96 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares96 CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑA SEÑAL CIRCUITOS CON ACOPLAMIENTO CAPACITIVO C1 es un condensador de acoplo de la señal de entrada a la base del transistor C2 es un condensador de desacoplo de la componente alterna, para conseguir mas ganancia C3 es un condensador de acoplo de la señal variable de salida a la carga

97 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares97 CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑA SEÑAL CIRCUITOS CON ACOPLAMIENTO CAPACITIVO (CONT) Al ser las capacidades circuitos abiertos para la componente continua, los puntos de operación no se ven afectados. Normalmente las capacidades se diseñan para que a las frecuencias de trabajo se puedan considerar cortocircuitos El procedimiento de análisis y diseño de las mismas es sencillo, aplicado análisis frecuencial en módulo y argumento El mayor inconveniente del empleo de capacidades es que la frecuencia inferior de corte viene limitada por éstas, no pudiéndose emplear si se desea procesar señales de muy baja frecuencia o que varíen muy lentamente

98 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares98 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON TRANSISTORES EN PEQUEÑA SEÑAL ANÁLISIS DEL CIRCUITO DE POLARIZACIÓN: 1º) Anular las fuentes de señal; dejar las fuentes de polarización de continua, ya sea de tensión o de corriente 2º) Sustituir los condensadores por circuitos abiertos, y las autoinducciones por cortocircuitos (salvo su resistencia interna). 3º) Utilizar el modelo de gran señal del transistor 4º) Hallar el P.O. De cada transistor, utilizando las ecuaciones de polarización, y el modelo del transistor de gran señal en la R.A.N.. En muchos casos el proceso se simplificará mucho utilizando la hipótesis de β infinito.

99 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares99 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON TRANSISTORES EN PEQUEÑA SEÑAL MODELO DE PEQUEÑA SEÑAL: 5º) De los datos del punto de operación de cada transistor, así como de las características suministradas por los fabricantes, calcular los parámetros incrementales de los transistores. ANÁLISIS EN PEQUEÑA SEÑAL (SEÑAL INCREMENTAL) 6º) Anular las fuentes de polarización (fuentes ideales de tensión constantes cortocircuitos, fuentes ideales de corriente constante circuito abierto). En el caso de no ser ideales habrá que considerar su correspondientes resistencias equivalentes en alterna.

100 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares100 ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON TRANSISTORES EN PEQUEÑA SEÑAL (cont) ANÁLISIS EN PEQUEÑA SEÑAL (SEÑAL INCREMENTAL) 7º) Sustituir los condensadores de acoplo y desacoplo por cortocircuitos,(si se han diseñado para ello) 8º) Sustituir los transistores por su modelo de pequeña señal. 9º) Aplicar la señal de entrada, y analizar su respuesta en la salida. Evaluando en cada caso lo que interese: Impedancias de entrada Ganancia en tensión Ganancia en corriente Ganancia en potencia Impedancia de salida

101 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares101 AMPLIFICADORES BÁSICOS CON TRANSISTORES BIPOLARES De los tres terminales del transistor, normalmente se empleará uno como referencia, común a la entrada y a la salida. La señal de entrada se aplicará a uno de terminales, mediante el acoplamiento correspondiente (directo, capacitivo...), y se obtendrá la respuesta en el terminal restante Dependiendo del terminal de referencia que se emplee, el amplificador básico se denominará En emisor común, entrada por base, salida por colector En colector común. Entrada por base, salida por emisor En base común, entrada por emisor, salida por colector

102 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares102 AMPLIFICADORES BÁSICOS CON TRANSISTORES BIPOLARES (CONT) De los tres terminales del transistor, normalmente se empleará uno como referencia, común a la entrada y a la salida. La señal de entrada se aplicará a uno de terminales, mediante el acoplamiento correspondiente (directo, capacitivo...), y se obtendrá la respuesta en el terminal restante Dependiendo del terminal de referencia que se emplee, el amplificador básico se denominará En emisor común, entrada por base, salida por colector En colector común. Entrada por base, salida por emisor En base común, entrada por emisor, salida por colector

103 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares103 AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN a) Circuito completo b) Circuito equivalente en alterna

104 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares104 El amplificador en emisor común(Cont)

105 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares105 El amplificador en emisor común(Cont) Efecto de la resistencia de emisor

106 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares106 ETAPA AMPLIFICADORA EN BASE COMÚN Circuito completo

107 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares107 ETAPA AMPLIFICADORA EN BASE COMÚN (cont) Si consideramos r o infinita, es fácil demostrar las siguientes expresiones: (se propone como ejercicio las demostraciones)

108 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares108 ETAPA EN COLECTOR COMÚN

109 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares109 ETAPA EN COLECTOR COMÚN (CONT)

110 15-11-06Tema 7.- Transistores bipolares110 RESUMEN DE CONFIGURACIONES (Consulte apuntes manuscritos)