Operación del BJT El Transistor Bipolar de Unión (BJT) (Spanglish Version 2006) EL TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN (BJT) es un dispositivo que amplifica la intensidad de corriente. Se caracteriza porque la corriente de salida es controlada por la corriente de entrada y amplificada en un factor llamado β. De ahí que se dice que la corriente de salida es una variable que depende tanto de la intensidad de corriente a la entrada como de la β del transistor. El comportamiento de un BJT puede analizarse a través de sus curvas características, de forma similar a como se hace con el diodo de unión. El fenómeno de la corriente en el transistor, en configuración BASE COMÚN es un fenómeno que se puede representar de la siguiente forma: E N N P ----- + --------- + --------- + ----- - - - - ++ - - - - ----- + ----- - - - - - -+-+-+-+- C ++++ B VBE VCB - + + - MILIAMPERÍMETROS 1 Operación del BJT Operación del BJT EL TRANSISTOR BIPOLAR DE UNIÓN (BJT) es un dispositivo que amplifica la intensidad de corriente. Se caracteriza porque la corriente de salida es controlada por la corriente de entrada y amplificada en un factor llamado β. De ahí que se dice que la corriente de salida es una variable que depende tanto de la intensidad de corriente a la entrada como de la β del transistor. El comportamiento de un BJT puede analizarse a través de sus curvas características, de forma similar a como se hace con el diodo de unión. El fenómeno de la corriente en el transistor, en configuración BASE COMÚN es un fenómeno que se puede representar de la siguiente forma: E N N P - -- -- -- -- + -- -- -- -- - -- -- -- -- + -- -- -- -- - -- -- -- -- + -- -- -- -- - -------- ++ -- -- -- -- - -------- + -- -- -- -- - -------- - -+-+-+- +- C ++++++++ B VBE 1 VCB 99 100 - + - + MILIAMPERÍMETROS El BJT se comporta como un gran nodo en el cual se cumple la Ley de Kirchhoff de corrientes: Corriente entrante = Corriente saliente Corriente de Emisor = Corriente de Base + Corriente de Colector. IE = IB + IC Sin embargo, la corriente de colector está formada por dos componentes: los portadores mayoritarios y los minoritarios. A la corriente minoritaria se le denomina ICO por lo que: IC = IC mayoritaria + ICO E N N P - -- -- -- -- + -- -- -- -- - -- -- -- -- + -- -- -- -- - -- -- -- -- + -- -- -- -- - -------- ++ -- -- -- -- - -------- + -- -- -- -- - -------- - -+-+-+- +- C ++++++++ B VBE 1 VCB 99 100 - + - + MILIAMPERÍMETROS 2 Configuraciones del BJT. Todos los transistores BJT, NPN y PNP pueden polarizarse de manera que quede una terminal común en su circuito de polarización; es decir, un elemento que forma parte tanto del lazo de entrada como del lazo de salida. Éste puede ser cualquiera de las tres terminales del dispositivo. Así entonces, se tienen tres configuraciones: BASE COMÚN. E C EMISOR COMÚN. C B B C E B COLECTOR COMÚN. E B Tipo NPN E C C E B B E Tipo PNP C Configuración Base Común La base es común a la entrada (emisor – base) y a la salida (colector – base) Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 3 Características de Base común. Para describir un dispositivo de 3 terminales, se requiere de 2 conjuntos de características: •Uno para la entrada. •Otro para la salida Corriente de entrada IE vs tensión de entrada VBE para varas tensiones de salida VCB. Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. Co rrie nte de S alid a Output Características Characteristics de forsalida a Common-Base Base común.Amplifier Entrada Tensión de Salida Corriente de salida IC vs tensión de salida VCB para varias corrientes de entrada IE. Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 4 3 Regiones de Operación • Activa Amplificador. • Corte Apagado. Hay tensión pero poca corriente. • Saturación Encendido. Baja tensión y corriente alta. Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. Emisor (P) Uniones: Colector (P) •Emisor-Base, directamente B (N) •Colector-Base, inversamente VEB VBC ¿Cómo son las corrientes por los terminales del transistor? E (P) IE = IB + IC IE + IB VEB VEB C (P) B (N) - - VCB + IC VBC 5 =0 mA Cu an do I E Co rrie nte de S alid a Output Características Characteristics de forsalida a Common-Base Base común.Amplifier Tensión de Salida Corriente de salida IC vs tensión de salida VCB para varias corrientes de entrada IE. Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. Cuando IE = 0mA IC = ICBO = ICO ≅ 0mA (no se nota en la fig. anterior por la escala!) Pero por tratarse de una corriente de saturación inversa no debe olvidarse que puede convertirse en un factor importante al aumentar la temperatura Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory, 8e Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 6 Así, en la región activa: IC ≅ IE [Formula 3.3] En la región de corte, tanto la unión base-emisor como colector-base se encuentran polarizadas inversamente.(región donde IC es cero.) En la región de saturación (aquella a la izq. de VCB =0), tanto la unión baseemisor como colector-base se encuentran polarizadas en directa. Por otro lado, se puede ver que variaciones de VCB no provocan grandes cambios en la corriente de salida IE una vez que se supera el umbral de la unión base-emisor; por lo que se puede aproximar también que: V BE = 0.7 Robert Boylestad Digital Electronics 7 Alfa (α) Alfa (α) relaciona las corrientes en DC debidas a los portadores mayoritarios IC con IE : α dc = IC IE [Formula 3.5] Idealmente α = 1, pero en dispositivos reales está entre 0.9 y 0.998. Teníamos que IC = IC mayoritaria + ICBO Sustituyendo alfa: IC = α IE + ICBO Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. Alfa (α) Para condiciones de ac, donde el punto de operación se desplaza sobre la curva característica: α ac = Δ IC Δ IE V CB = constante [Formula 3.6] αac se denomina: factor de amplificación de base común de “corto circuito”. Aunque su valor difiere ligeramente de αdc generalmente son muy parecidas y se les puede utilizar indistintamente en los cálculos. Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 8 Acción amplificadora del transistor IE = Ii = Vi 200mV = =10mA Ri 20 IC ≅ IE así que IL ≅ Ii = 10mA VL = IL * R = (10mA)(5kΩ) = 50V Av = VL 50V = = 250 Vi 200mV Véase que la acción de amplificación se produjo mediante la transferencia de una corriente desde un circuito de baja resistencia a uno de alta resistencia. transferencia + resistor = transistor. 9 Acción amplificadora del transistor La resistencia ac de entrada es muy pequeña (típicamente entre 10 y 100 ohms) . Por ejemplo 0.7V @ 8ma Pero a la salida generalmente es muy alta (típicamente entre 50 kilo y 1 mega ohm) . Por ejemplo 10V @ 2ma Configuración Emisor-común. Salida Entrada El emisor es común tanto a la entrada (base-emisor) como a la salida (colector-emisor). La entrada está en la base y la salida en el colector. Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 10 Aunque cambia la configuración, las siguientes relaciones siguen siendo aplicables: IC = α IE + ICBO IE = IB + IC 0 Característica del colector = característica de salida. Característica de la base = Característica de entrada. Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. Nótese que las gráficas de IB no son tan horizontales como las de IE base-común; por ello la tensión colector-emisor tendrá influencia sobre la magnitud de la corriente del colector. En la región activa de un amplificador emisor comùn, la unión base-emisor se encuentra polarizada en directa, mientras que la de colector-base en inversa. Véase también que la región de corte no está bien definida, ya que IC no es cero cuando IB=0 Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 11 La razón de lo anterior es: Cosiderando el caso en que IB=0, y un valor típico de α=0.996: IC = α IE + ICBO IC = α (IC + IB)+ ICBO IC = IC = α IC + α IB+ ICBO I CBO α (0 A) + 1 − α 1 − 0.996 I C = 250 I CBO IC = α IC + α IB+ ICBO Como referencia general, la corriente de colector cuando IB=0, será: IC - α IC= α IB+ ICBO IC (1- α )= α IB+ ICBO corrriente de corte = ICEO = αI B I CBO + IC = 1−α 1−α ICBO 1−α I B =0 Beta (β) En DC : β dc = En CA: β ac = IC IB [Formula 3.10] ΔIC ΔIB VCE = constante [Formula 3.11] β indica el factor de amplificación del transistor de CD en emisor común, y en las hojas de datos se le refiere como hfe Nótese que Modelo Híbrido β cd = hFE mayúsculas β ca = h fe minúsculas 12 Determinando beta (β) de la curva β AC = (3.2mA− 2.2mA) 1mA = (paraVCE = 7.5) = 100 (30μA − 20μA) 10μA Note: β AC = β DC β DC = 2.7mA (paraV CE = 7.5) = 108 25 μ A Characteristics in which βac is the same everywhere and βac = βdc. Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory, 8e Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 13 Relationship between β and α Both indicate an amplification factor. α= β= β β +1 [Formula 3.12a] α [Formula 3.12b] α −1 Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. β provides a Relationship between Currents IC = βIB IE = (β + 1)IB Robert Boylestad Digital Electronics [Formula 3.14] [Formula 3.15] Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 14 Common – Collector The input on the Base and the output is on the Emitter. Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. Characteristics of Common Collector The Characteristics are similar to those of the Common-Emitter. Except the vertical axis is IE. IE Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 15 FIGURE 3-21 Common-collector configuration used for impedance-matching purposes. Alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida (contrario a basecomún y emisor-común Pobre Deseable Sobreacoplado Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky Electronic Devices and Circuit Theory, 8e Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. Limitations of Operation for Each Configuration Note: Robert Boylestad Digital Electronics VCE is at maximum and IC is at minimum (ICmax=ICEO) in the cutoff region. IC is at maximum and VCE is at minimum (VCE max = VCEsat = VCEO) in the saturation region. The transistor operates in the active region between saturation and cutoff. Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 16 Power of Dissipation Common – Base: PCmax = VCBIC [Formula 3.18] Common – Emitter: PCmax = VCEIC [Formula 3.16] Common – Collector: PCmax = VCEIE Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. Transistor Specification Sheet Valores nominales (máximos Pequeña señal (amplificador) Características eléctricas Encendido Apagado Características térmicas 17 Transistor Testing 1. Curve Tracer Provides a graph of the characteristic curves. 2. DMM Some DMM’s will measure βDC or HFE. 3. Ohmmeter Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. Transistor Terminal Identification Robert Boylestad Digital Electronics Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 18