funcionamiento

1. eman ta zabal zazu
Universidad del País Vasco
Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores
upv ehu
TRANSISTORES
• Símbolo. Características
• Clasificación de los transistores
• Transistores bipolares
• Transistores unipolares
PED 2002-03 4.1

2. Características. Símbolo
• Elemento triterminal: Terminal de control
• Magnitud control: tensión o corriente terminal de i A
• Funcionamiento específico: dos uniones PN control i +
• Funcionamiento en régimen permanente: T.C.
componentes de los circuitos digitales vAB
+
v
T.C.
–
– B
i
IQ 3
IQ 2
IQ 1
v
VQ
PED 2002-03 4.2

3. Clasificación de los transistores
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)
Transistores uniunión: UJT
• Muy especiales. No los veremos
PED 2002-03 4.3

4. TRANSISTORES BIPOLARES
• Magnitud de control: corriente
• Terminal central: corriente de control. Terminal base: B
• Terminal izquierda: emisor, E
• Terminal derecha: colector, C
A i
i T.C.
+
vAB i = f (v AB , iT .C . )
–
B
P N P N P N
PED 2002-03 4.4

5. Tipos de transistores bipolares
transistor bipolar NPN transistor bipolar PNP
C C
colector colector
B B
base base
emisor emisor
E E
• Sentido flecha: de P hacia N
PED 2002-03 4.5

6. Magnitudes en los transistores bipolares
• 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
NPN IC PNP
+ IC
VBC –C + VCB C
–
IB + IB –
VCE VEC
B + B
–
VBE VEB
– E – +
+ E
IE IE
PED 2002-03 4.6

7. Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares
RC IC
IC IC
VBC –
+ + +
RB VCC
VCE –
IB + –
VBB + VBE –
– IE
IB IC
PED 2002-03 4.7

8. Ecuaciones de comportamiento de los t. bipolares
I E = I B + IC V BC = VBE − VCE
V BB = RB I B + V BE V CC = RC IC + VCE
IC = f (VCE , I B ) I B = g(VBE , VCE )
• Ecuaciones comportamiento: análisis experimental
• Simplificando: punto operación del transistor Q(IB, IC, VBE, VCE)
PED 2002-03 4.8

9. Curvas características: dos
I B = g(VBE , VCE )
• VCE poca influencia. Se simplifica. IB = g(VBE )
IB IB
VBE VBE
PED 2002-03 4.9

10. IC = f (VCE , I B )
mA
IC IB =100 µA
12
IB =80 µA
10
8 IB =60 µA
6
IB =40 µA
4
IB =20 µA
2
0 VCE
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V
PED 2002-03 4.10

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 4.11

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 4.12

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 I
VCE ≥ 0,2 V ⇒ VBE = 0,7 V , I
C
=β
B
PED 2002-03 4.13

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
IC ⇒ VBE = 0,7 V
≤β
IB
VCE = 0,2 V
PED 2002-03 4.14

15. Zonas de funcionamiento en la curva característica
mA IC IB = 100 µA
12
IB = 80 µA
Saturación
10
8 IB = 60 µA
R.A.N.
6
IB = 40 µA
4
IB = 20 µA
2
Corte
0 VCE V
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
PED 2002-03 4.15

16. Aproximación realizada
IC
IB4
IB3
IB2
IB1
VCE
0,2 V
PED 2002-03 4.16

17. Resolución gráfica de circuitos con transistores
• Conocemos curvas (IB ,VBE) y (IC ,VCE) del transistor
• Circuito de entrada
IB
B
V BB "carga" del
RB + circuito de
V BE entrada
– E
V BB = RB I B + V BE
V BB 1
IB = − ⋅V BE
RB RB RECTA DE CARGA de entrada
PED 2002-03 4.17

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 4.18

19. • Circuito de salida
V CC
IC
RC
C +
"carga" del
circuito de V CE
salida
E –
V CC = RC IC + VCE
VCC 1
IC = − ⋅ VCE RECTA DE CARGA de salida
RC RC
PED 2002-03 4.19

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
IC IB5
IB4
IB3
IB2 =IBQ
IB1
VCE
PED 2002-03 4.20

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
i
+
i = f (v AB , v T.C. )
T.C. v AB
+
vT.C. –
–
B
PED 2002-03 4.21

22. JFET, transistores de efecto de campo de unión
transistor JFET de canal N transistor JFET de canal P
D drenador D drenador
G G
puerta puerta
S fuente S fuente
• Otros símbolos
transistor JFET de canal N transistor JFET de canal P
PED 2002-03 4.22

23. Magnitudes de los JFET
• 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
canal N canal P
(> 0)
D ID + VGS – S +
IG = 0 IG = 0 +
G
VDS VSD
+ G
ID
VGS – –
(< 0)
– S D
PED 2002-03 4.23

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
ID
RD
IG = 0 D
+
G +
VDS VDD
+ –
–
VGG + VGS – (variable)
(variable)
–S
PED 2002-03 4.24

25. • Dos curvas
* Curva 1: manteniendo VDS, ID sat= f(VGS)
ID
IDSS 2
 VGS 
I Dsat = I DSS ⋅ 1 − 
 VGSoff
 

IDsat
V GS
V GSoff (< 0 siempre) V GSQ
IDSS  corriente de saturación (VGS=0)
VGSoff  tensión de estrangulamiento (canal desaparece, ID = 0)
PED 2002-03 4.25

26. * Curva 2: para distintos valores de VGS, ID = f(VDS)
ID
IDSS V GS = 0 V
ica
óhm
V GS = −1 V
Saturación
zona
IDsat V GS = −2 V
V GS ≤ VGSoff ( < 0 )
Vgs=-2
Corte V DS
V VDSS
DSsat
Vgs=-2
IDSS  corriente de saturación (VGS=0)
VGSoff  tensión de estrangulamiento (canal desaparece, ID = 0)
PED 2002-03 4.26

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 2
 VGSQ 
VDSS  tensión para estrangular el canal : |VGSoff|
K = 1 − 
 VGSoff 
VDSsat  frontera entre zona óhmica y saturación (no constante)
2
 VGSQ 
V DSsat = 1 −  VGSoff
 V GSoff 
PED 2002-03 4.27

28. MOS, transistores metal-óxido-semiconductor
NMOS de enriquecimiento PMOS de enriquecimiento
D D
drenador drenador
B B
G sustrato G sustrato
puerta puerta
S S
fuente fuente
NMOS de empobrecimiento PMOS de empobrecimiento
D D
drenador drenador
B B
G sustrato G sustrato
puerta puerta
S S
fuente fuente
PED 2002-03 4.28

29. • Otros símbolos
transistores de enriquecimiento transistores de empobrecimiento
NMOS PMOS NMOS PMOS
• 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 4.29

30. Magnitudes de los MOS
• 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)
NMOS de enriquecimiento PMOS de enriquecimiento
(< 0)
D ID VGS – S
+
IG = 0 + IG = 0 +
G VSD
VDS G
+V –
GS
(> 0) – S – D ID
PED 2002-03 4.30

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
ID
2
IDon  V GS − V T 
I D = I Don ⋅  
 V GSon − VT 
V GS
VT V GSon
PED 2002-03 4.31

32. * Curva 2: para distintos valores de VGS, ID = f(VDS)
ID NMOS de enriquecimiento
V GS =15 V
mica
V GSQ
IDsat V GS =10 V
a óh
Saturación
V GS =5 V
Zon
V GS ≤VT
Corte V DS
V DSsat
PED 2002-03 4.32

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
2
VDSQ ≥ VDSsat  VGS − VT 
K =
 V GSon − V T 

PED 2002-03 4.33