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PED 2002-03 4.1
TRANSISTORES
• Símbolo. Características
• Clasificación de los transistores
• Transistores bipolares
• Transistores unipolares
Universidad del País Vasco Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadoresehuupv
eman ta zabal zazu
PED 2002-03 4.2
Características. Símbolo
• Elemento triterminal: Terminal de control• Magnitud control: tensión o corriente• Funcionamiento específico: dos uniones PN• Funcionamiento en régimen permanente:
componentes de los circuitos digitales
A
B
+
–
terminal decontrol
+
–
i
v
iT.C. vAB
T.C.
v
i
VQ
IQ1
IQ2
IQ3
PED 2002-03 4.3
Transistores bipolares: BJT• Corriente: movimiento de electrones y huecos.• Magnitud de control: corriente• Dos tipos: NPN y PNP
Transistores unipolares o de efecto de campo: FET• Campo eléctrico influye en el comportamiento• Corriente: movimiento sólo de electrones o huecos, según el tipo
de transistor• Magnitud de control: diferencia de potencial• JFET• FETMOS: de canal N (electrones); de canal P (huecos)
Clasificación de los transistores
Transistores uniunión: UJT• Muy especiales. No los veremos
PED 2002-03 4.4
• Magnitud de control: corriente• Terminal central: corriente de control. Terminal base: B• Terminal izquierda: emisor, E• Terminal derecha: colector, C
TRANSISTORES BIPOLARES
A
B
+
–
vAB
i
iT.C.
),( ..CTAB ivfi
P PN N NP
PED 2002-03 4.5
• Sentido flecha: de P hacia N
Tipos de transistores bipolares
B
C
E
transistor bipolar NPN
colector
emisorbase
transistor bipolar PNP
C colector
E emisor
B base
PED 2002-03 4.6
• Seis magnitudes a relacionar
• Corriente en cada terminal: IC, IB , IE
• Diferencias potencial entre terminales: VBE, VBC , VCE
• Dos ecuaciones de comportamiento
• Convenio para el sentido de las corrientes y signo de las tensiones
Magnitudes en los transistores bipolares
E
B
C
+
+
+
PNP
IB
IC
IE
––
–V
EB
VEC
VCB
B
C
E
+
+
+
NPN
––
–
VBE
VCE
VBC
IB
IC
IE
PED 2002-03 4.7
Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares
++
+
+–
+–
–
–
–VBB
VCC
RC
RB
IB
IC
IE
IB
IC I
C
IC
VBE
VCE
VBC
PED 2002-03 4.8
Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares
IC f ( V CE , I B ) I B g ( V BE , V CE )
I E I B IC V BC V BE V CE
V BB R B I B V BE V CC R C IC V CE
• Ecuaciones comportamiento: análisis experimental
• Simplificando: punto operación del transistor Q(IB, IC, VBE, VCE)
PED 2002-03 4.9
Curvas características: dos
I B g ( V BE , V CE )
• VCE poca influencia. Se simplifica.
IB
VBE
IB
VBE
IB g(VBE)
PED 2002-03 4.10
IC f ( V CE , I B )
0
2
4
6
8
10
12
mA
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V
IB
100 A
IB
80 A
IB
60 A
IB
40 A
IB
20 A
IC
VCE
PED 2002-03 4.11
Zonas de funcionamiento del transistor bipolar
• Un transistor tiene dos uniones PN, 4 posibles polarizaciones:
unión BE IP IP DP DP
unión BC IP DP IP DP
• Distinguir entre E y C?
• Polarización relativa determina quién funciona como E y quién como C
• E y C no son exactamente iguales a nivel físico
• Funcionamiento directo o normal (NPN): VBE> VBC
• Funcionamiento inverso (NPN): VBE< VBC
• Habitualmente: funcionamiento directo
• Posible con tres de las cuatro opciones
• Tres zonas de funcionamiento– Corte– Región Activa Normal (R.A.N.)– Saturación
PED 2002-03 4.12
1. Corte
• BE y BC en I.P.
• Por tanto VBE ≤ 0,7 V y VBC ≤ 0,7 V (se suele comprobar sólo VBE ≤ 0,7 V)
• En I.P. no circula corriente, por tanto: IC = 0 A IB = 0 A (por tanto IE = 0 A)
• Ya tenemos las dos ecuaciones que nos faltaban
• Resumiendo:
condición ecuación
VBE ≤ 0,7 V IC = 0 , IB = 0
PED 2002-03 4.13
2. Región Activa Normal (R.A.N.)
• BE en D.P., BC en I.P
• Sólo una unión en D.P. pero corriente en ambas. Aún así IB << IC
• BE en D.P., por tanto, VBE = 0,7 V (una ecuación más)
• Otra ecuación: analizando las curvas características del transistor
• Conclusión análisis: IC/IB = ß ( nueva ecuación, ß “ganancia de corriente”)
• Varía según el tipo de transistor. Consideraremos 100
• Verificación de esta zona implica comprobar unión BC en I.P: comprobar VBC
≤ 0,5 V (no 0,7 como en una unión aislada). Equivalente: VCE 0,2 V
condición ecuación
VCE 0,2 V VBE = 0,7 V ,IC
IB
PED 2002-03 4.14
3. Saturación
• BE y BC en D.P.
• Corriente en las dos uniones, IB mayor que antes
• Ambas uniones en D.P.: VBE = 0,7 V y VCE = 0,2 V
• No relación constante anterior
• Verificación de esta zona implica comprobar IC/IB ≤ ß
condición ecuación
VBE = 0,7 V
VCE = 0,2 V
IC
IB
PED 2002-03 4.15
Zonas de funcionamiento en la curva característica
0
2
4
6
8
10
12mA
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10V
IB 100 A
IB 80 A
IB 60 A
IB 40 A
IB 20 A
IC
VCE
R.A.N.
Corte
Sat
urac
ión
PED 2002-03 4.16
Aproximación realizada
0,2 V
IC
IB1
IB2
IB3
IB4
VCE
PED 2002-03 4.17
Resolución gráfica de circuitos con transistores
• Conocemos curvas (IB ,VBE) y (IC ,VCE) del transistor
• Circuito de entrada
RECTA DE CARGA de entrada
+B
E
"carga" del circuito de
entrada
–
IB
VBB RB
VBE
VBB RBIB VBE
IB VBB
RB
1
RB
VBE
PED 2002-03 4.18
• Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva (IB ,VBE)
• Obtenemos punto de operación de entrada: (IBQ ,VBEQ)
IB
VBE
PED 2002-03 4.19
• Circuito de salida
RECTA DE CARGA de salida
+C
E
"carga" del circuito de
salida–
IC
VCC
RC
VCE
VCC RC IC VCE
IC VCC
RC
1
RC
VCE
PED 2002-03 4.20
• Dibujando esa recta sobre el mismo plano que la curva ( IC ,VCE)
• Obtenemos punto de operación de salida
• Con ambos puntos, tenemos el punto de operación del transistor
IB5
IB4
IB3
IB2
IB1
IC
VCE
=IBQ
PED 2002-03 4.21
TRANSISTORES UNIPOLARES O DE EFECTO DE CAMPO
• Campo eléctrico influye en el comportamiento• Corriente: movimiento sólo de electrones o huecos, según tipo• Magnitud de control: diferencia de potencial• JFET• FETMOS: de canal N (electrones); de canal P (huecos)
A
B
+
–+
–
T.C. vAB
i
vT.C.
i f (vAB, vT.C. )
PED 2002-03 4.22
JFET, transistores de efecto de campo de unión
transistor JFET de canal N
G
D
S
drenador
fuentepuerta
G
D
S
drenador
fuentepuerta
transistor JFET de canal P
transistor JFET de canal N transistor JFET de canal P
• Otros símbolos
PED 2002-03 4.23
• Tres magnitudes para analizar comportamiento: ID, VDS y VGS (t. control)
• Funcionamiento adecuado: dos uniones PN en I.P
• Canal N: VGS < 0. Canal P: VGS > 0
• Portadores de carga de fuente hacia drenador, generan ID
• Corriente IG =0. Por tanto: IS= ID
Magnitudes de los JFET
+
+
canal N
G
D
S(< 0)
– –
ID
VDS
VGS
IG
0 ++
canal P
G
D
S(> 0)
–
–IG
0V
GS
VSD
ID
PED 2002-03 4.24
Curvas de transferencia en los JFET
• Punto de operación: Q( IDQ, VDSQ, VGSQ)
• Corriente ID depende de las dos tensiones: ID = f(VGS,VDS)
• Circuito para analizar el funcionamiento
+
+
+
+
(variable)
(variable)S
D
G
––VGS
VDS
IDRD
––
VGG
VDD
IG 0
PED 2002-03 4.25
(< 0 siempre) VGS
IDIDSS
VGSoff VGSQ
IDsat
2
1
GSoff
GSDSSDsat V
VII
• Dos curvas
* Curva 1: manteniendo VDS, ID sat= f(VGS)
IDSS corriente de saturación (VGS=0)
VGSoff tensión de estrangulamiento (canal desaparece, ID = 0)
PED 2002-03 4.26
Saturación
zona
óhm
ica
Corte
IDI
DSS
VDS
IDsat
Vgs=-2
VGS
2 V
VGS
1 V
VGS
0 V
VGS
VGSoff
(0)
VDSSV
DSsatVgs=-2
IDSS corriente de saturación (VGS=0)
VGSoff tensión de estrangulamiento (canal desaparece, ID = 0)
* Curva 2: para distintos valores de VGS, ID = f(VDS)
PED 2002-03 4.27
Tres zonas de funcionamiento:
condición ecuación
CORTE: VGSQ VGSoff ID = 0
ZONA OHMICA: VGSoff VGSQ 0 ID = VDSS / RDS
VDSQ VDSsat RDS = VDSS / IDSS
SATURACIÓN: VGSoff VGSQ 0 ID = K IDSS
VDSQ VDSsat
VDSS tensión para estrangular el canal : |VGSoff|
VDSsat frontera entre zona óhmica y saturación (no constante)
K 1 VGSQ
VGSoff
2
VDSsat 1 VGSQ
VGSoff
2
VGSoff
PED 2002-03 4.28
MOS, transistores metal-óxido-semiconductor
NMOS de enriquecimiento
G
D
S
drenador
fuente
puerta
Bsustrato
PMOS de enriquecimiento
G
D
S
B
drenador
fuente
puertasustrato
NMOS de empobrecimiento
G
D
S
B
drenador
fuente
puertasustrato G
D
S
B
PMOS de empobrecimiento
drenador
fuente
puertasustrato
PED 2002-03 4.29
• Otros símbolos
transistores de enriquecimiento NMOS PMOS NMOS PMOS
transistores de empobrecimiento
• Enriquecimiento: D y S físicamente separadas• Empobrecimiento: entre D y S siempre hay canal• B, sustrato (bulk). No es un terminal, sino la base física sobre la que se
ha construido el MOS. Normalmente se conecta a S
PED 2002-03 4.30
• Tres magnitudes para analizar comportamiento: ID, VDS y VGS (t. control)
• Corriente IG =0 siempre, no dependiendo de la polarización
• Polarización adecuada para crear canal entre S y D (enriquecimiento) o para estrechar el canal existente (empobrecimiento)
Magnitudes de los MOS
NMOS de enriquecimiento
G
S
D
+(> 0)
+
––V
GS
VDS
ID
IG
0
PMOS de enriquecimiento
G
S
D
+
(< 0)+
–V
SD
ID
IG
0V
GS–
PED 2002-03 4.31
Curvas de transferencia en los MOS
• Punto de operación: Q( IDQ, VDSQ, VGSQ)
• Corriente ID depende de las dos tensiones: ID = f(VGS,VDS)
• Obtenemos esa curva experimentalmente, al igual que antes, con un circuito similar
* Curva 1: manteniendo VDS, ID = f(VGS) (transistor en saturación)
NMOS de enriquecimiento
VGS
ID
IDon
VGSonVT
ID IDon VGS VT
VGSon VT
2
PED 2002-03 4.32
* Curva 2: para distintos valores de VGS, ID = f(VDS)
Saturación
Corte
NMOS de enriquecimiento ID
IDsat
VGS 5 V
VGS 10 V
VGS 15 V
VGS VT
VDSVDSsat
VGSQ
Zon
a óh
mic
a
PED 2002-03 4.33
MOS enriquecimiento, tres zonas de funcionamiento:
condición ecuación
CORTE: VGSQ VT ID = 0
ZONA OHMICA: VGSQ VT ID = VDSS / RDS
VDSQ VDSsat
SATURACIÓN: VGSQ VT ID = K IDon
VDSQ VDSsat K VGS VT
VGSon VT
2
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