Tema 0: Revisión de componentes electrónicos y...
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Diodos
1 DiodosIntroducciónModelo de ShockleyModelos simplificados en continuaModelo simplificado de pequeña señal
2 Transistores bipolares
3 Transistores de efecto campo
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
Modelos simplificados en continua
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
Modelos simplificados en continua
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
Modelo simplificado de pequeña señal
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
Modelo simplificado de pequeña señal
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
3 Transistores de efecto campo
Transistores bipolares
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
Transistores bipolares
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
Transistores bipolares
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
Transistores bipolares
Características de entrada y salida
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.
Transistores bipolares
Características de entrada y salida
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
Transistores bipolares
Características de entrada y salida
Límites de operación
IC < ImaxC
VCE < VmaxCE
ICVCE < Pmax
IC
VCE
VmaxCE
ImaxC
Pmax
Transistores bipolares
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
Transistores bipolares
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
Transistores bipolares
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
�
Transistores bipolares
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. . .
Transistores bipolares
Circuitos de polarización
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
Transistores bipolares
Circuitos de polarización
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.
Transistores bipolares
Circuitos de polarización
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
Transistores bipolares
Circuitos de polarización
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
Transistores bipolares
Circuitos de polarización
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
Transistores bipolares
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
Transistores bipolares
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
Transistores bipolares
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.
Transistores bipolares
Configuraciones especiales
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
Transistores bipolares
Configuraciones especiales
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
2 Transistores bipolares
3 Transistores de efecto campoIntroducciónModos de funcionamientoLos FETs en continuaCaracterísticas corriente-tensiónCircuitos de polarizaciónModelo de pequeña señalConfiguraciones especiales
Transistores de efecto campo
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
Transistores de efecto campo
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
Transistores de efecto campo
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
Transistores de efecto campo
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
Transistores de efecto campo
Características corriente-tensión
+
−
+
−VGS
VDS
ID
Características de transferencia
MOSFETs
ID
VGSVt,dep Vt,ac
IDSS
JFETs
Vp
IDSS
ID
VGS
Transistores de efecto campo
Características corriente-tensión
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
Transistores de efecto campo
Características corriente-tensión
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
�
Transistores de efecto campo
Circuitos de polarización
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
Transistores de efecto campo
Circuitos de polarización
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
Transistores de efecto campo
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
Transistores de efecto campo
Configuraciones especiales
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