Ключи на полевых транзисторах

В цифровых интегральных схемах в качестве ключевых элементов чаще всего используются МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Простейшая схема ключа на n-канальном МДП-транзисторе с индуцированным каналом представлена на рис. 3. 14а.

При подаче на вход ключа высокого уровня напряжения ( - пороговое напряжение, при котором открывается транзистор) транзистор открывается и напряжение на выходе ключа определяется положением рабочей точки В на нагрузочной прямой (рис. 3.14б). Для нормальной работы транзистора в ключевом режиме остаточное напряжение должно быть минимальным . В этом случае ток через нагрузку не зависит от параметров транзистора: . (3.11)

Остаточное напряжение на открытом транзисторе зависит от сопротивления и входного напряжения . При увеличении и напряжение уменьшается. Однако с увеличением ухудшается быстродействие ключа, которое в основном зависит от времени заряда суммарной эквивалентной выходной емкости через резистор при запирании транзистора.

При запирании транзистора низким уровнем напряжения выходное напряжение возрастает от до максимального значения (рис. 3.14б) по экспоненциальному закону с постоянной времени . Тогда длительность положительного фронта импульса .

Если учесть выражение (3.11), то

. (3.12)

Отпирание ключа и формирование спада напряжения на выходе протекает несколько сложнее. После подачи открывающего сигнала ток транзистора скачком увеличивается до величины

, (3.13)

где b - удельная крутизна.

Этим током начинает разряжаться емкость . По мере разряда емкости напряжение на стоке уменьшается. До тех пор, пока оно остается больше , транзистор работает на пологом участке выходной характеристики и ток стока сохраняет значение .Если пренебречь током через нагрузочный резистор (справедливо при ) и считать ток разряда постоянным, то .

Нужно было бы учесть и нелинейный характер зависимости тока при напряжении на стоке меньшем . Поэтому длительность фронта

, (3.14)

где определяется выражением (3.13).

Из выражений (3.12), (3.14) и рис. 3.14 видно, что при . Увеличение сопротивления приводит не только к ухудшению быстродействия ключа. Высокоомный резистор трудно реализовать в интегральном исполнении и он, как правило, занимает больше места на подложке, чем МДП-транзистор. Поэтому при разработке ключевых ИМС на МДП-транзисторах применяют схемы ключей, в которых вместо резистора в качестве нагрузки используют МДП - транзисторы.

Схема ключа с динамической нагрузкой, выполненного на однотипных транзисторах МДП-типа с индуцированным каналом, показана на рис. 3.15 . Роль динамической нагрузки выполняет транзистор T2, у которого затвор соединен со стоком и который, тем самым является двухполюсником - резистором.

Вольтамперную характеристику (ВАХ) транзистора T2 можно получить из следующих соображений. Поскольку при соединении затвора со стоком получается то, очевидно, справедливо неравенство . Это неравенство означает, что транзистор T2 работает на пологом участке выходной характеристики, для которого справедлива формула . Подставляя в нее , запишем ВАХ транзистора T2, в виде

. (3.15)

Как видим, эта ВАХ – параболическая, т.е. нелинейная.

В запертом состоянии ключа, когда на затвор активного транзистора T1 подано напряжение , остаточный ток транзистора T2 близок к 0, а максимальное выходное напряжение (см. точку А на рис. 3.15б).

В открытом состоянии ключа, когда на затвор активного транзистора T1 подано напряжение рабочая точка В находится на крутом участке выходной характеристики активного транзистора T1. Остаточное напряжение на выходе мало. Тогда ток насыщения ключа можно определить из формулы (3.15), если принять ,

.

Сопротивление канала открытого транзистора T1 на крутом участке . Учитывая это, можно остаточное напряжение найти в виде:

.

Поскольку на практике выполняется условие , нетрудно сделать важный вывод: для обеспечения малого остаточного напряжения должно выполняться условие , т.е. транзисторы должны быть существенно различными. Однако при практически достижимом отношении может быть в пределах .

Ключ с динамической нагрузкой (рис. 3.15) имеет низкое быстродействие, т.к. определяется зарядом емкости через нелинейное сопротивление транзистора T2 переменному току, которое при работе на пологом участке характеристики достигает сотен кОм. Формирование происходит почти также как и в схеме (рис. 3.14).

Широкое распространение получили ключи на комплементарных МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 3.16). Транзистор T1 имеет канал n-типа, а транзистор T2 - p-типа. Входной сигнал поступает на объединенные затворы, а выходной снимается с объединенных стоков. Подложки обоих транзисторов соединены с истоками, что исключает отпирание p-n- переходов, изолирующих каналы транзисторов от их подложек. На рис. 3.17а приведена передаточная характеристика ключа . С помощью рис. 3.17б можно пояснить графический метод ее построения. На нем сплошными линиями изображены ВАХ n-канального транзистора T1, а штриховыми – p-канального транзистора T2 при одинаковых значениях входного напряжения.

Пусть в исходном состоянии напряжение на входе ключа , тогда , а . Значит, транзистор T1 заперт, а транзистор T2 открыт (считаем, что для обоих транзисторов). Ток в общей цепи определяется запертым транзистором T1 и составляет величину . (Обычно ). Открытый транзистор T2 работает в области крутых участков ВАХ (область 1 на рис. 3.15), где сопротивление канала описывается выражением . Напряжение на открытом транзисторе T2, полагая , равно

. (3.16)

Если принять , то . Значит выходное напряжение .

Пусть теперь управляющее напряжение на входе ключа равно . Тогда , а и транзистор T1 открыт, а транзистор T2 заперт (см. область 2 на рис. 3.17). При этом ток через транзисторы остается на уровне . Напряжение на выходе ключа

.

При управляющем напряжении на входе ключа, изменяющемся в диапазоне , открыты оба транзистора, и выходное напряжение изменяется скачкообразно в пределах области 2 на рис. 3.17. Тогда через транзисторы будет протекать общий ток, который называют сквозным. Зависимость сквозного тока от входного напряжения изображена на рис. 3.17,а штриховой линией.

Оптимальная форма передаточной характеристики достигается при одинаковых параметрах транзисторов T1 и T2 . Тогда напряжение, при котором происходит переключение, . Помехоустойчивость максимальна и близка к . К тому же, передаточная характеристика практически не зависит от температуры и, следовательно, высокая помехоустойчивость сохраняется в широком интервале температур.

Таким образом, важнейшей особенностью ключей на комплементарных транзисторах является то, что они практически не потребляют мощности от источника питания в обоих статических состояниях, и имеют малые остаточные напряжения на открытых транзисторах, высокую помехоустойчивость.

Важным параметром КМДП - ключа является потребляемая мощность, которая складывается из статической и динамической. Статическая мощность равна . Поскольку ток очень мал, то и статическая мощность, потребляемая ключом ничтожна. Динамическая мощность определяется двумя составляющими. Первая обусловлена сквозными импульсами тока через транзисторы при переключении. При этом в цепи питания протекают импульсы тока, которые могут достигать заметных величин, особенно при повышенных напряжениях питания. Поскольку в дискретных устройствах крутизна фронтов импульсов велика, рассеивание мощности на транзисторах происходит в течение очень короткого промежутка времени и среднее значение этой составляющей обычно мало. Вторая составляющая динамической мощности связана с периодическим перезарядом паразитных емкостей (внутренних, монтажа и нагрузки). Эта составляющая в основном и определяет мощность, потребляемую КМДП - ключом при работе на высоких частотах. Как известно, энергия заряда (разряда) конденсатора равна и не зависит от сопротивления, по которому протекает ток. В КМДП - ключе через источник питания протекает только ток заряда емкости. Следовательно, динамическая мощность, расходуемая на заряд паразитных емкостей, равна , где - частота переключения.

В КМДП - ключе переходные процессы характеризуются тем, что заряд и разряд емкости происходит примерно в одинаковых условиях. Это объясняется симметрией схемы по отношению к управляющим сигналам. Заряд емкости происходит через открытый транзистор T2 при запертом транзисторе T1, а разряд – через транзистор T1 при запертом T2. В обоих случаях транзистор, открывшийся после переключения, сначала работает в режиме насыщения со сравнительно большим током , а затем по мере заряда или разряда емкости , напряжение на стоке падает ниже и ток начинает уменьшаться. Следовательно, механизм обоих процессов (заряда или разряда) тот же, что был рассмотрен при анализе разряда в ключе с резисторной нагрузкой (рис. 3.14). Если считать параметры транзисторов T1 и T2 одинаковыми, то длительности фронтов определяются выражением, аналогичным (3.14) :

(3.17)

Из выражения (3.17) видно, что быстродействие КМДП - ключа увеличивается с ростом напряжения питания. Быстродействие комплементарного ключа почти на порядок выше, чем у ранее рассмотренных схем.

Описанные достоинства, а также отработанность технологии изготовления явились причиной широкого использования КМДП - ключей (на таких ключах базируются широко распространенные серии КМДП - логики, как 561, 564, 1561, 1564 и др.).