Configuração comum do coletor: insights e otimização

Configuração do circuito transistor

Os transistores são componentes essenciais da eletrônica moderna e servem como amplificadores, interruptores e processadores de sinal. No entanto, em cenários do mundo real, os transistores não são dispositivos ideais e podem apresentar certos comportamentos não ideais. Um desses comportamentos é conhecido como “corrente de fuga”.

As correntes de fuga são correntes pequenas e não intencionais que fluem entre diferentes terminais do transistor, mesmo quando eles estão desligados ou nenhuma entrada externa é aplicada. Essas correntes são o resultado de vários fenômenos físicos nos materiais semicondutores e na estrutura interna do transistor.

Existem basicamente dois tipos de corrente de fuga em transistores:

Vazamento de corrente do coletor (ICEO ou ICO)

Em um transistor bipolar (BJT), uma pequena corrente de fuga, chamada corrente reversa do coletor (ICEO para transistores NPN ou ICO para transistores PNP), flui entre o coletor e o emissor quando o transistor está no estado desligado ou polarizado reversamente. Isso acontece devido aos portadores de carga minoritários (buracos no NPN, elétrons no PNP) que estão presentes na região da base e podem se difundir através da junção coletor-base com polarização reversa.

Vazamento de corrente de base (IBO)

Mesmo quando um transistor é desligado, pode haver uma pequena perda de corrente de base (IBO) entre os terminais da base e do emissor. Essa perda se deve principalmente à junção base-emissor com polarização reversa, que permite que um pequeno número de portadoras minoritárias passe pela esquina.

As correntes de fuga podem ter vários efeitos no projeto e no desempenho do circuito:

consumo de energia

Embora as correntes de fuga sejam normalmente muito pequenas, em circuitos integrados de alta densidade, como os encontrados nos microprocessadores modernos, o efeito cumulativo das correntes de fuga em vários transistores pode resultar em um consumo de energia significativo, mesmo quando um dispositivo se destina a operar em baixa potência. modo.

Integridade do Sinal

Em certas aplicações onde os transistores amplificam sinais fracos, as correntes de fuga podem introduzir erros ou distorções no sinal amplificado, comprometendo a integridade do sinal.

Geração de calor

Embora as correntes de fuga sejam pequenas individualmente, elas podem contribuir globalmente para o desenvolvimento de calor no transistor. Em dispositivos de alto desempenho, controlar esse calor é fundamental para garantir uma operação confiável.

Para mitigar os efeitos da corrente de fuga, os projetistas de circuitos usam técnicas como dimensionamento de transistor, polarização e tecnologias de processo avançadas que minimizam os efeitos da corrente de fuga. A corrente de fuga continua a ser um tópico de pesquisa e discussão na fabricação de dispositivos semicondutores e no projeto de circuitos para criar sistemas eletrônicos mais eficientes e confiáveis.

Fator de ganho atual

Relação entre γ e α

Relação entre correntes de transistor

1. EU_C =β.I_b = α.I_b = (β / (1+β)).I_E
2. EU_b = eu_C/β = eu_E/(1+β) = (1-α).I_E
3. EU_E = eu_C/α = ((1+β) / β).I_C = (1+β).I_b = eu_b.(1-α)

Explicação do Teorema de Thevenin

O teorema de Thévenin é um conceito fundamental na análise de circuitos elétricos que simplifica circuitos lineares complexos em circuitos equivalentes mais simples. Afirma que qualquer rede linear de dois terminais com resistores e fontes independentes de tensão ou corrente pode ser substituída por um circuito equivalente consistindo de uma única fonte de tensão em série com um único resistor. Este circuito simplificado é chamado de circuito equivalente de Thévenin.

A frase leva o nome do engenheiro francês Léon Charles Thévenin, que a introduziu no final do século XIX. O equivalente de Thevenin permite que os engenheiros analisem e resolvam circuitos complexos com mais facilidade, especialmente em análise de redes, projeto de circuitos e solução de problemas.

É assim que funciona o teorema de Thévenin

Encontre a tensão de Thévenin (Vth)

Para determinar a tensão equivalente de Thevenin (Vth), a tensão do circuito é calculada nos terminais A e B quando a carga (resistor ou outros componentes) está desconectada. Isso pode ser feito usando nó, malha ou qualquer outro método de análise de circuito adequado.

Encontre a resistência de Thévenin (Rth)

A resistência equivalente de Thévenin (Rth) é calculada removendo temporariamente todas as fontes de tensão e corrente do circuito. Uma fonte de tensão de teste é então aplicada às conexões A e B e a corrente resultante é calculada. Rth é igual à razão entre a tensão de teste e a corrente calculada.

Construa o circuito equivalente de Thevenin: Uma vez determinados Vth e Rth, o circuito equivalente de Thevenin é construído colocando uma fonte de tensão (Vth) em série com um resistor (Rth) entre os terminais A e B.

O circuito equivalente de Thevenin simplifica a análise do circuito de várias maneiras:

• Simplificação: Redes complexas com múltiplos componentes podem ser reduzidas a uma única fonte de tensão e resistor, simplificando bastante os cálculos.
• Análise de carga: O teorema de Thévenin pode ser usado para analisar como o circuito responde a diferentes cargas conectadas entre os terminais A e B.
• Equivalência de rede: O teorema estabelece o conceito de equivalência elétrica, no qual um circuito complexo pode ser substituído por um mais simples que apresente o mesmo comportamento nos terminais relevantes.
• Transmissão de potência máxima: O teorema de Thevenin é frequentemente usado para determinar a resistência da carga que maximiza a transferência de potência da fonte para a carga.

Configuração Comum do Coletor: Propriedades de E/S

Correntes de fuga do transistor

A corrente de fuga do transistor é um problema significativo em dispositivos semicondutores e circuitos integrados modernos. Essas correntes pequenas e não intencionais podem impactar significativamente o desempenho, a eficiência energética e a confiabilidade dos sistemas eletrônicos. As correntes de fuga surgem devido ao isolamento incompleto de várias regiões do transistor e às propriedades físicas inerentes aos semicondutores.

Existem basicamente dois tipos de corrente de fuga de transistor:

Corrente de fuga sublimiar (corrente de fuga fora do estado)

Este tipo de corrente de fuga ocorre quando um transistor está desligado, o que significa que não deve conduzir nenhuma corrente. No entanto, devido à natureza dos materiais semicondutores e aos fenômenos da mecânica quântica que ocorrem, uma pequena corrente, a chamada corrente de fuga subliminar, pode fluir entre as conexões do transistor. Essa corrente se torna mais significativa à medida que os transistores ficam menores e operam com tensões de alimentação mais baixas. A corrente de fuga abaixo do limite é um fator significativo no consumo de energia dos circuitos integrados modernos, especialmente nos modos de espera ou de economia de energia.

Vazamento no portão

A corrente de fuga da porta é a corrente que flui através da camada isolante de óxido entre a porta e o canal de um transistor quando ele não deveria estar conduzindo. Em MOSFETs (transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico), isso pode ocorrer devido ao tunelamento de elétrons através do óxido de porta fina. À medida que as dimensões do transistor continuam a diminuir, a espessura do óxido da porta também diminui, tornando a corrente de fuga da porta mais pronunciada e problemática. Técnicas como dielétricos de alto k reduzem a corrente de fuga da porta em processos avançados de semicondutores.

As correntes de fuga podem levar a vários desafios:

• Eficiência energética: Correntes de fuga excessivas podem resultar em maior consumo de energia, diminuir a vida útil da bateria de dispositivos portáteis e aumentar o calor gerado em circuitos integrados.
• Integridade do Sinal: As correntes de fuga podem afetar a precisão e integridade dos sinais e impactar o desempenho de circuitos analógicos e de sinais mistos.
• Confiabilidade: Com o tempo, as correntes de fuga podem causar o envelhecimento do dispositivo, o que por sua vez pode levar a possíveis falhas e à redução da vida útil dos componentes eletrônicos.

Para resolver esses problemas, os fabricantes e desenvolvedores de semicondutores usam uma série de estratégias:

• Processo otimizado: Processos e materiais avançados de fabricação estão sendo desenvolvidos para reduzir as correntes de fuga dos transistores.
• Projeto do transistor: As arquiteturas dos transistores são modificadas para minimizar as correntes de fuga sem sacrificar o desempenho.
• Limitação de energia: Para evitar o consumo de energia devido a vazamentos, os blocos de circuito não utilizados são completamente desligados quando não estão em uso.
• Escala dinâmica de tensão e frequência: A tensão e a frequência são ajustadas dinamicamente com base na carga de trabalho para reduzir o consumo de energia durante períodos de baixa atividade.
• Design com reconhecimento de vazamentos: Os projetistas de circuitos usam ferramentas especializadas para contabilizar as correntes de fuga durante a fase de projeto e implementam estratégias para mitigar seu impacto.

Corrente de fuga do coletor para a base (I_CBO)

• Quando o emissor está aberto e a junção coletor-base está polarizada reversamente, uma pequena corrente (corrente de fuga da base coletor) flui através do hub.
• Consiste em dois componentes:

1. A corrente componente dependente da temperatura devido à geração térmica de pares elétron-buraco e
2. A porção da corrente dependente da tensão é devida ao vazamento superficial através da conexão coletor-base.

• ICBO representa isso. Esta corrente é chamada de saturação reversa ou corrente reversa de coletor e é caracterizada por I._CEOPara transistores de silício, dobra a cada décimo aumento de temperatura.

Corrente de fuga do coletor para o emissor (I_CEO)

• Quando a base é um circuito aberto e a junção coletor-emissor está polarizada inversamente, ocorre uma pequena corrente, chamada corrente de fuga coletor-emissor, I_CEO, flui do coletor para o emissor.
• Esta corrente também depende da temperatura do coletor e da tensão no emissor; você pode mostrar isso.

Base do emissor de corrente de fuga (I_CEO)

• Quando o coletor está aberto e a junção emissor-base está polarizada inversamente, ocorre uma pequena corrente, chamada corrente de fuga emissor-base I._CEO flui pela interseção.

Fator de transporte (β)