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2 – Transístor
2.1 – Transístor Bipolar
A história do transistor remonta, pelo menos, a 1898 data em que Thomson descobriu o electrão 1. Para muitos, esta terá sido a descoberta mais importante do século XX. Os seus autores, John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley desenvolveram um primeiro dispositivo experimental em Dezembro de 1947 2 , enquanto membros da Bell Laboratories. Por esta descoberta foi-lhes atríbuido o prémio Nobel da Física em
2.1.1 – Introdução.
Mais uma vez, interessa-nos aqui o estudo deste dispositivo do ponto de vista do seu uso como componente de circuitos electrónicos. Para este efeito, iniciamos a questão tentando compreender a sua curva característica (veremos que na realidade se trata, antes, de um família de curvas). Notemos, antes de mais, que o transistor é a primeira componente com mais de dois terminais que estudamos. Os terminais designam-se por colector ( C ), emissor ( E ) e base ( B ). A fig. 9 representa os símbolos dos dois tipos de transistor que existem. Apenas como nota, a existencia destes dois tipos compreende-se bem porque, tratando-se de um dispositivo construído com base num cristal semiconductor contaminado (ou dopado) de forma a apresentar três zonas distintas, de tipo P ou N, separadas por duas junções indênticas às do díodo. As três zonas podem organizar-se apenas de duas maneiras diferentes, assinaladas também na fig. 9, que originam os dois tipos de transistor bipolar: npn e pnp.
(^1) Ver, por exemplo http://www.pbs.org/transistor/ (^2) Ver, por exemplo http://www.pbs.org/transistor/background1/events/miraclemo.html
http://www.ideafinder.com/history/inventions/transistor.htm
Fig. 2.9 – Símbolos dos transístores NPN e PNP com a indicação esquemática da forma como o cristal semi- condutor inicialmente puro (ou intrínseco) é dopado de forma a apresentar 3 zonas separadas por duas junções.
E
C
B
PNP
P N P
B
E C
E
C
B
NPN
N P N
B
E C
Tomando o transistor NPN como exemplo tracemos a curva que mostra a dependência da corrente no circuito, IC ,
com atensão aplicada entre o colector e o emissor, VCE. Para este efeito, vamos admitir que, por um processo
qualquer, se injecta na base uma corrente constante I B , como mostra a fig. 2.10.a.
O andamento da curva pode descrever-se como sendo linear e crescente para valores de VCE próximos de zero,
evoluindo depois para um regime de saturação – deixa de crescer com VCE permanecendo num certo valor constante.
Uma boa parte do entendimento do transistor como elemento de circuitos deriva da constatação de que esta curva
conserva esta forma para diversos valores de I B , desde I B = 0 até valores arbitrariamente elevados e positivos de
I B.
A forma adoptada universalmente para exprimir o funcionamento de um transistor consiste em traçar um número razoavel de curvas (^) IC (^) ( VCE (^) )para vários valores equidistantes de I (^) B.
Fig. 2.10 – a) Circuito para estudar a curva característica do transístor. b) Curva IC ( VCE ) obtida quando a
corrente na base é constante e se varia V desde zero até um valor positivo arbitrário.
Fig. 2.11 – Evolução da curva da fig. 10 quando o parâmetro I Bvaria desde zero até um certo valor positivo.
V CE
IC
I B = 0
I B
I B
V
R
a)
V CE
IC
b)
IC 0 β I B 0 220 2010 4.2 mA
Finalmente, o valor de VCE calcula-se circulando na malha do colector e usando os valores já calculados
10 = R 2 ⋅ I C + VCE
I C0 = 5 8 V.
O ponto de funcionamento em repouso é, assim, dado pelo par de coordenadas ( V (^) CE = 5.8V, I C =4.2 mA ).
Na resolução gráfica a família de curvas I C -VCE é um dado e o primeiro passo é, aqui também e pelo mesmo
processo, o cálculo de I (^) B. De seguida faz-se o traçado da recta de carga – o lugar geométrico dos pontos de funcionamento possíveis. Esta recta é facilmente traçada a partir dos seus dois pontos em cada um dos eixos:
IC = 0 → vCE = 10 V e
2
vCE = 0 → IC = VCR = 10 mA
Está tracada a azul na fig. 2.14. A intersecção da recta de carga com a curva da família com o valor de I (^) B calculado dá o ponto de funcionamento em repouso.
Assim se obtem o ponto ( V CE0 , I C0 ) assinalado na fig. 2.14.
Esta determinação gráfica não teria muito interesse se não constituisse o primeiro passo para visualisar com clareza o efeito amplificador do transistor. Este efeito exerce-se sobre um sinal que (depois de se garantir que o transistor está correctamente polarizado) se introduz de modo adequado no circuito da fig 2.13. Uma forma de o fazer é a que se mostra nas fig. 2..
A consequência óbvia de se introduzir s(t) na malha da base é que a IB vai variar em torno do valor de repouso I BO
com uma amplitude S/R 1 representado pelas curvas a tracejado correspondentes a iB1 e iB2 na fig.2..
O sinal que, por conveniência, é sinusoidal faz IB variar levando o ponto de funcionamento dinâmico a ocupar a zona
da recta de carga compreendida entre as duas curvas a tracejado e assinalada a traço forte.
I B0= 20 μ A
VCE
IC
V CE (V)
I C
(mA)
Fig. 2.14 – Determinação gráfica do ponto de funcionamento emrepouso.
R 1.0kohm
VC 10V
VB 10V
Q 2N2222A
R 470kohm
Fig. 2.15 – Circuito amplificador do sinal s(t).
s(t)
I B
I B
I B
VCE
I C
Fig. 2.16 – O sinal introduzido no circuito da base obriga IB a variar entre os limites a tracejado e o ponto de funciona- mento a ser correspondentemente desviado.
Projectando o efeito da variação introduzida pelo sinal sobre os dois eixos IC e VCE podemos obter directamente os
sinais amplificados, fig. 2.17.
2.1.3 – Transístor como conversor de energia DC-AC. Classes de funcionamento.
A função básica do transistor como amplificador é conferir maior amplitude às tensões e correntes que podem ser fornecidas por um gerador de sinal. É, por outras palavras, reproduzir o mesmo sinal mas com maior disponibilidade energética. A pergunta que surge naturalmente é a de saber de onde é que o transistor vai retirar a energia que coloca no sinal. A resposta, prova- velmente óbvia, é que a retira do único sítio pos- sível: do gerador DC que o polariza. Neste sentido se pode dizer que o transistor converte energia DC, que lhe é fornecida pelo(s) ge- rador(es) DC de polariza- ção, em energia AC que ele disponibiliza.
Nesta perspectiva surge uma questão importante que se deve estudar – qual o rendimento dessa con- versão de energia?
Genericamente, a noção de rendimento de um sistema tem a ver com o quociente entre o que obtemos na saída e o que temos de fornecer para esse fim. No caso do transistor como amplificador, queremos obter energia AC fornecendo energia DC. Ora o transistor, usado da forma descrita até aqui, seguramente vai mostrar rendimentos muito baixos. Basta reparar que mesmo quando não há sinal ele consome energia DC (caso da fig. 2.14). Esta forma de polarizar o transistor, em que o ponto de funcionamento em repouso está no centro da recta de carga e a amplitude do sinal é suficientemente pequena para ficar sempre contido na zona linear de funcionamento (quer dizer que nunca atinge as duas zonas-limite em que as curvas deixam de ser equi-
distantes para o mesmo acréscimo de i B ) chama-se
classe A.
Esta classe de funcionamento é a mais natural e usa-
V CE
I B
I B
I B
I C
Fig. 2.17 – Jogo de tensões e correntes de um transistor como amplificador de sinal.
V CE
IC
Fig. 2.17 – Transístor polarizado em classe B.
Com estas configurações conseguem obter-se unidades com ganhos até 3.0000. Sabendo que o ganho de um
Darlington é aproximadamente o produto dos ganhos dos seus transístores e que um transistor de pequeno sinal tem
um ganho típico de cerca de 100 pode causar alguma estranheza que o ganho global do Darlington não atinja valores
da ordem de 100 x 100 = 10.0000. Isto deve-se ao facto de os dois transístores terem estrutura diferentes: geralmente,
o primeiro transistor, por manipular correntes baixas, tem ganhos da ordem de 100. O segundo transístor tem ganho
bem menor por ter uma estrutura adequada a correntes elevadas.
Par Diferencial
Uma outra arquitectura que já se usava na época da válvula e que transitou para os transístores é o par diferencial ou
“par de cauda longa” 1 , que tem a particulridade de ser a configuração que dá origem ao conceito de Amplificador
Operacional.
A utilidade desta configuração vem do facto de, muito frequentemente, é mais importante amplificar a diferença entre
dois sinais do que o valor absoluto de cada um deles. O nível comum que eles partilhem é pois omitido ou anulado neta
medida da diferença.
A figura representa o circuito electrónico clássico que desempenha esta função. Recebeu a designação de “long tailed
pair” (par de cauda longa – numa tradução livre) e constitui a base funcional do Amplificador Operacional.
O entendimento do seu funcionamento pode basear-se num
primeiro argumento de simetria se notarmos que as duas
correntes I 1 e I 2 devem sempre somar I (^) E
I 1 +I 2 =I (^) E (1)
Sabendo que a corrente de base de cada transístor está directamente relacionada com a respectiva tensão V (^) BE
podemos adoptar uma expressão genérica que relacione V (^) BE
com I (^) C
H.I (^) C = V (^) BE ,
em que H é uma constante, dimensionalmente uma
resistência, que caracteriza a relação.
Para cada transístor será
H.I 1 = V (^) B1 -V (^) E e H.I 2 = V (^) B2 -V (^) E ,
em que V (^) E é a tensão comum aos dois emissores. Sabendo que a soma I 1 +I 2 é constante, calculemos a diferença
H.(I 1 -I 2 ) = v 1 - v 2 usando (1) vem
H.(I (^) E-2.I 2 ) = v 1 - v (^2)
(^1) Tradução livre de long tailed pair.
Fig. 2.20 – Amplificador diferencial.
Q1 Q
R1 R
I (^) E
VCC
v (^1) v (^2)
I 1 I 2
vO
Como estamos interessados apenas nas variações ao repouso (estamos afinal interessados apenas no regime AC),
vamos reescrever esta última equação sem o termo DC que é IE
2 (^1 2 )
2 ib
i v v
h
Em que i 2 é a componente AC de I 2.
A componente AC da tensão de saída será
O 2 ib
R
v v v
h
ou seja, a tensão de saída é proporcional à diferença das tensões das entradas.
2.2 - Transístor de efeito de campo - FET^1
O transistor anteriormente estudado não necessita, em geral, de nenhuma designação adicional, embora seja por vezes referido como transistor bipolar (BJT 2 , na literatura inglesa) para sublinhar o facto de ambos os tipos de portador de carga contribuirem para o processo. Foi no entanto desenvolvido um outro tipo de transistor que tambem se baseia em propriedades das junções P-N e cujo princípio de funcionamento é, porventura, mais simples que o do transistor bipolar.
Este tipo de transistor tem apenas uma junção que assume a geometria de um canal duma certa polaridade rodeado de semicondutor de polaridade oposta. Representa-se na fig. 2.21 o FET canal N. O efeito posto em jogo é o do estreitamento do canal por acção da polarização inversa da junção que ele forma com o resto do cristal que o envolve. Esse estreitamento é proporcinal à tensão inversa aplicada e, no limite, impede completamente a passagem de corrente. Do que se disse tira-se a conclusão que uma diferença funda-
mental entre o FET difere e o BJT é que o primeiro é um dispositivo controlado por uma tensão ( VGS ) enquanto que
o segundo o é por uma corrente ( iB ). A tecnologia desenvolvida ao longo dos anos foi mais prolífica para os FETs
tendo-se produzido diversas variantes deste dispositivo, sobretudo para os circuitos digitais (microprocessadores, memórias, etc). A fig 2.14 mostra os símbolos correntes para duas dessas variantes: o FET de junção (JFET) e o FET de tecnologia Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET) nas versões canal-N e canal-P.
(^1) Universalizou-se a sigla inglesa FET – Field Effect Transistor. (^2) BJT – Bipolar Junction Transistor
Fig. 2.21 – Representação diagramática do FET canal N com a polarização adequada.
G
S
D
P N
VGS
VDS
iD
