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Tema 0:Revisión de componentes electrónicos y polarización de

transistores

Índice

1 Diodos

2 Transistores bipolares

3 Transistores de efecto campo

Diodos

1 DiodosIntroducciónModelo de ShockleyModelos simplificados en continuaModelo simplificado de pequeña señal



Diodos

Introducción

Tipos, convenio de signos

Diodo Diodo Zener

VD

A K

+ −

ID

VD

A K

+ −

IDA: ánodoK: cátodo

Características del diodo

Dispositivos de dos terminales que permiten el paso de corriente en funcióndel potencial aplicado externamente.

Polarización directa: la aplicación de un potencial externo positivo implica lacirculación de corriente (VD > 0⇒ ID > 0).

Polarización inversa: con un potencial externo negativo no circula corriente(VD ≤ 0⇒ ID = 0).

Características del diodo Zener

Idénticas características que el diodo convencional, y además:

Situación de ruptura: si la tensión de polarización negativa supera ciertoumbral, −VZ, (tensión zener) el diodo permite el paso de corrientesnegativas (VD < −VZ ⇒ ID < 0).

Diodos

Introducción

Aplicaciones de los diodos

En circuitos que manipulan la forma de la señal: recortadores, fijadores,rectificadores . . .

Introducción de caídas de potencial fijas entre dos puntos de un circuito.

Diodos

Modelo de Shockley

Relación corriente-tensión del diodo real

Para analizar circuitos con diodos es necesario conocer la relación queexiste entre ID y VD.

Un cálculo basado en las propiedades de los semiconductores permiteestablecer esta relación:

ID = IS�

eVD/nVT − 1�

DondeIS: corriente inversa desaturaciónn: constante correctoraVT = kT/q tensión térmicaq: carga del electrónk: constante de BoltzmannT: temperatura

VD

ID

Directa

Inversa

Diodos

Modelos simplificados en continua

El modelo de Shockley es demasiado complejo para analizar circuitosmanualmente.

En la práctica se sustituye el modelo de Schockley por modelos linealizadosmás sencillos.

Los siguientes modelos se aplican para trabajar con tensiones y corrientescontinuas.

Diodos


Modelo de tensión de codo

Inversa Directa

VD+ −

ID

+ −

ID = 0

VD < Vγ+ −

ID ≥ 0

VD = Vγ

Si el diodo está en inversa loaproximamos a un circuitoabierto.

Si está en directa lo sustituimospor una caída de potencial devalor Vγ.

Vγ ≈ 0,7V para diodos de silicio.

Vγ depende de la temperatura:

Vγ ≈ 0,7V− 2mV/◦C(T − 25◦C) VD

ID

Vγ

Diodos


Modelo simplificado para el diodo Zener

Ruptura Inversa Directa

VD+ −

ID

+ −

ID ≤ 0

VD = −VZ+ −

ID = 0

VD < 0+ −

ID ≥ 0

VD = Vγ

En directa y en inversa mismomodelo que el diodo normal.

En ruptura sustituimos el zenerpor una caída de potencial devalor −VZ.

VD

ID

Vγ

−VZ

Diodos

Modelo simplificado de pequeña señal

Si aplicamos únicamente una tensión continua, VD, a un diodo, la corriente,ID, viene determinada por los modelos anteriores.

Si además superponemos una componente alterna de tensión, vd, depequeña amplitud a la componente de continua, se producirá una pequeñaoscilación de la corriente, id.

Las magnitudes totales de tensión, vD, y corriente, iD, serán:

vD = VD + vd

iD = ID + id

�

La relación entre vd e id será aproximadamente lineal:

vd = rdid con rd =nVT

ID

vd+ −

idrd

Diodos


Ejemplo

Calcular la corriente que atraviesa el diodo.

VDC

vac+

−

R1

D1iD

La corriente total, iD que atraviesa el diodo es la suma de una componentecontinua, ID, inducida por VDC, y una componente de alterna, id, inducida porvac:

iD = ID + id

Diodos


Se aplica el principio de superposición:

En continua En pequeña señal

VDC

R1

VγID vac+

−

R1

rdid

ID =VDC − Vγ

R1id =

vac

R1 + rd

iD =VDC − Vγ

R1+

vac

R1 + rd

Transistores bipolares

1 Diodos

2 Transistores bipolaresIntroducciónModelo de Ebbers MollCaracterísticas de entrada y salidaModelos de continuaCircuitos de polarizaciónModelos de pequeña señalConfiguraciones especiales



Introducción

Tipos, convenio de signos

Transistor npn Transistor pnpC

+

E−−

B+

VCE

VBE

IC

IE

IB

C−

E++

B−

VEC

VEB

IC

IE

IB E: EmisorB: BaseC: Colector

Modos de funcionamiento

Unión base-emisor Unión base-colector Modo defuncionamiento

Directa Inversa Activa directa

Directa Directa Saturación

Inversa Inversa Corte

Inversa Directa Activa inversa


Modelo de Ebbers Moll

Relación corriente-tensión del transistor bipolarUn transistor npn puede ser modelizado por el siguiente circuito:

αFIFαRIRB

CE

IRIF

IB

IE IC

IE =IS

αF

�

eVBE/VT − 1�

− IS�

eVBC/VT − 1�

IC = IS�

eVBE/VT − 1�

−IS

αR

�

eVBC/VT − 1�

IB =IS

βF

�

eVBE/VT − 1�

+IS

βR

�

eVBC/VT − 1�

donde:

βF =αF

1− αF, βR =

αR

1− αR


Características de entrada y salida

Relación I-V a la entrada y la salida de un BJT en emisor común

+

−

+

−VBE

VCE

IB

IC

Características de entrada, IB − VBE

IB

VBE

VCE1VCE2VCE3

En la gráfica:

VCE3 > VCE2 > VCE1



Características de salida, IC − VCE

IC

VCE

IB1

IB2

IB3

IB4

Activa directa

Sat

ura

ción

Corte

En la gráfica:

IB4 > IB3 > IB2 > IB1

En activa directa:

IC = β(F)IB

El BJT es un dispositivocontrolado por corriente.

Al ser β un número grande, a lasalida se obtiene una corrienteamplificada.



Efecto EarlyEn la práctica la corriente de colector del BJT en activa directa también dependede la tensión colector-emisor.

IC

VCE

En activa directa:

IC = βIB

�

1 +VCE

VA

�

VA: tensión Early



Límites de operación

IC < ImaxC

VCE < VmaxCE

ICVCE < Pmax

IC

VCE

VmaxCE

ImaxC

Pmax


Modelos de continua

BJT npn

Activa directa

IC = βIB

VBE ≈ 0,7V

VonBE

βIB

B C

E

IB ICIE

Saturación

VBE ≈ 0,6V

VCE ≈ 0,2V

IC < βIB

VonBE Vsat

CE

B C

E

IB ICIE

Corte

IC = IE = IB = 0

B C

E

IB ICIE


Modelos de continua

BJT pnp

Activa directa

IC = βIB

VEB ≈ 0,7V

VonEB

βIB

B C

E

IB ICIE

Saturación

VEB ≈ 0,7V

VEC ≈ 0,2V

IC < βIB

VonEB Vsat

EC

B C

E

IB ICIE

Corte

IC = IE = IB = 0

B C

E

IB ICIE


Modelos de continua

Aproximaciones en activa directaEcuaciones exactas

IC = βIB

IE = IC + IB

�

Aproximación β “grande”IB = IC/β

IE ≈ IC

�

Aproximación β→∞IB = 0

IE = IC

�


Circuitos de polarización

Recta de carga estática

Relación I− V del circuito aplicado a la salida del transistor.

Con el transistor en emisor común es la relación IC − VCE.

Punto de trabajo, Q

Son los valores de corriente y tensión concretos que se obtienen al polarizarel transistor con un circuito.

En activa directa viene dado por (IC,VCE).

Misión del circuito de polarización

Situar el punto de trabajo en la zona activa directa.

Mantener el punto de trabajo estable frente a variaciones de β, temperatura. . .



Factores de sensibilidadMiden la estabilidad de la polarización frente a variaciones de parámetros deltransistor.

Sensibilidad a β

S(β) =∆IC

∆β

Sensibilidad a VBE

S(VBE) =∆IC

∆VBE



Circuito de polarización fijaRecta de carga

IC =VCC − VCE

RC

Punto de trabajo

IC =VCC − VBERB/β

VCE = VCC − ICRC

Q1

RBRC

VCC

Estabilidad de QEl punto de trabajo depende explícitamente de β.



Circuito de polarización con realimentación de emisorRecta de carga

IC =VCC − VCERC +RE

Punto de trabajo

IC =VCC − VBERB/β+RE

VCE = VCC − IC(RC +RE)

Q1

RBRC

RE

VCC

Estabilidad de Q

Si RE � RB/β ⇒ IC ≈VCC − VBE

REindependiente de β

Criterio de diseño: RE = 10RB/β



Circuito con realimentación de colectorRecta de carga

IC =VCC − VCE

RC

Punto de trabajo

IC =VCC − VBERB/β+RC

VCE = VCC − ICRCEstabilidad de Q

RC � RB/β

Q1

RBRC

VCC



Circuito de polarización con divisor de tensiónRecta de carga

IC =VCC − VCERC +RE

Punto de trabajo

IC =VBB − VBERB/β+RE

VCE = VCC − IC(RC +RE)

con VBB =R2

R1 +R2VCC y RB = R1‖R2

Estabilidad de Q

RE � RB/β

R2

R1

Q1

RE

RC

VCC


Modelos de pequeña señal

Si en un circuito con BJTs coexisten componentes de continua y señal,utilizaremos los siguientes modelos para trabajar con las componentes deseñal.

Los modelos son validos tanto para transistores npn como para transistorespnp.

Modelo Π

rπ

rμ

rogmvbe

B

E

C+

−

vbe

gm =IC

VTrπ =

β

gmro =

VA

ICrμ = βro

g−1m� rπ � ro � rμ


Modelos de pequeña señal

Modelos Π simplificados

En numerosas ocasiones podemos trabajar con modelos más simples.

Es habitual hacer las aproximaciones rμ = ∞ y ro = ∞

Modelo de transconductancia Modelo de ganancia de corriente

rπ gmvbe

B

E

C+

−

vbe rπ βib

B

E

C

ib

vbe =β

gmib


Configuraciones especiales

BJT como diodo

+

−

V

I

I

Un BJT con la base y el colectorcortocircuitados se comporta como undiodo:

I =IS

αF

�

eV/VT − 1�

En pequeña señal puede ser sustituidopor una resistencia de valor 1/gm.



Par Darlington

Q2

Q1

IBIC

IE

El par Darlington se comporta como unúnico transistor con βD muy alta:

βD = β1β2 + β1 + β2 ≈ β1β2

Tensión base-emisor del Darlington:

VBE,D ≈ 1,4V



El multiplicador VBE

R1

R2

+

−

V

El multiplicador VBE introduce una caídade potencial fija entre sus terminales,independiente de la corriente quecircula.

V ≈�

1 +R1

R2

�

VBE

Transistores de efecto campo

1 Diodos


3 Transistores de efecto campoIntroducciónModos de funcionamientoLos FETs en continuaCaracterísticas corriente-tensiónCircuitos de polarizaciónModelo de pequeña señalConfiguraciones especiales


Introducción

Tipos, símbolos y convenio de signos

MOSFET deacumulación

MOSFET dedeplexión JFET

Canal n

D+

S−−

G+

VDS

VGS

ID

IS

IG

D+

S−−

G+

VDS

VGS

ID

IS

IG

D+

S−−

G+

VDS

VGS

ID

IS

IG

Canal p

D−

S++

G−

VSD

VSG

ID

IS

IG

D−

S++

G−

VSD

VSG

ID

IS

IG

D−

S++

G−

VSD

VSG

ID

IS

IG

S: Fuente, G: Puerta, D: Drenador


Modos de funcionamiento

Los FETs se mantienen en corte mientras el potencial aplicado entre puertay fuente es menor que un cierto umbral, Vt.

Una vez en conducción, pueden hallarse en dos modos: zona óhmica ysaturación dependiendo del potencial del drenador.

FETs de canal nCorte VGS < Vt

Zona óhmica VGS > Vt y VDS < VGS − VtSaturación VGS > Vt y VDS > VGS − Vt

FETs de canal pCorte VSG < Vt

Zona óhmica VSG > Vt y VSD < VSG − VtSaturación VSG > Vt y VSD > VSG − Vt


Los FETs en continua

Para todos los FETsIG = 0 en todos los modos de funcionamiento

MOSFETs de canal nCorte ID = 0

Zona óhmica ID = kn�

2(VGS − Vt)VDS − V2DS

�

Saturación ID = kn(VGS − Vt)2

con kn =μn2 Cox

WL

MOSFETs de canal pCorte ID = 0

Zona óhmica ID = kp�

2(VSG − Vt)VSD − V2SD

�

Saturación ID = kp(VSG − Vt)2

con kp =μp2 Cox

WL

Diferencia entre MOSFETs de acumulación y deplexión

En MOSFETS de acumulación, Vt > 0

En MOSFETS de deplexión, Vt < 0


Los FETs en continua

JFETs de canal nCorte ID = 0

Zona óhmica ID = IDSS

�

−2�

1− VGSVp

�

VDSVp−�

VDSVp

�2�

Saturación ID = IDSS�

1− VGSVp

�2

VGS < 0 siempre para el JFET de canal n

JFETs de canal pCorte ID = 0

Zona óhmica ID = IDSS

�

−2�

1− VSGVp

�

VSDVp−�

VSDVp

�2�

Saturación ID = IDSS�

1− VSGVp

�2

VSG < 0 siempre para el JFET de canal p

También es posible escribir las ecuaciones del MOSFET de deplexión de estaforma haciendo el cambio:

Vp = Vt, IDSS = knV2t


Características corriente-tensión

+

−

+

−VGS

VDS

ID

Características de transferencia

MOSFETs

ID

VGSVt,dep Vt,ac

IDSS

JFETs

Vp

IDSS

ID

VGS



Características de salida

ID

VDS

Saturación

Zon

aóh

mic

a

CorteVGS1

VGS2

VGS3

VGS4

Iguales para las tres familias deFETs.

En la gráfica:

VGS4 > VGS3 > VGS2 > VGS1

El FET es un dispositivocontrolado por tensión.

Equivalencia de modos de funcionamiento BJT-FET

BJT FET

Corte Corte

Saturación Zona óhmica

Activa directa Saturación



Modulación de la longitud del canal

En la práctica la corriente de drenador en saturación no es independiente deVDS

Es el análogo al efecto Early en los BJTs.

ID

VDS

En saturación:

ID = kn(VGS − Vt)2�

1 +VDS

VA

�



Ejemplos de circuitos de polarización de los FETsPolarización de un MOSFET de acumulaciónRecta de carga

ID =VDD − VDS

RD

Punto de trabajo

VGS =R2

R1 +R2VDD

ID = kn(VGS − Vt)2

VDS = VDD − IDRD

R2

R1

M1

RD

VDD



Polarización de un MOSFET de deplexión/JFETRecta de carga

ID =VDD − VDSRD +RS

Punto de trabajo

VGS = −IDRS

ID = kn(VGS − Vt)2

VDS = VDD − ID(RD +RS)

RG

M1

RS

RD

VDD


Modelo de pequeña señal

Si en un circuito con FETs coexisten componentes de continua y señal,utilizaremos el siguiente modelo para trabajar con las componentes deseñal.

El modelo es común para todos los FETs.

rogmvgs

G

S

D+

−

vgs

MOSFETs gm = 2p

knID ro = VAID

= 1λID

JFETs gm = 2|Vp|

p

IDSSID ro = VAID

= 1λID



En los circuitos integrados se suelen utilizar cargas activas en lugar deresistencias.

Carga de acumulación

+

−

V

I

I

VGS = VDS ⇒ saturación.

I =

¨

0 si V < Vt

kn(V − Vt)2 si V > Vt

I

VVt



Carga de deplexión

+

−

V

I

I

VGS = 0 ⇒ conducción

I =

¨

kn�

−2VtV − V2� si V < −Vtkn(−Vt)2 si V > −Vt

I

V|Vt |

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