МДП-транзисторные ключи.

Ключи на МДП-транзисторах, как и на биполярных, в статическом режиме характеризуются остаточным током ( в запертом состоянии) и остаточным напряжением ( в открытом состоянии). Известны три разновидности МДП-транзисторных ключей: с резисторной нагрузкой, с динамической (транзисторной) нагрузкой и комплементарные (КМДП) ключи. Последние выполнены на комплементарных транзисторах, т.е. транзисторах с каналами противоположного типа проводимости. Рассмотрим поочередно статические параметры перечисленных трех разновидностей.

Ключ с резисторной нагрузкой. Схема такого ключа, выполненного на n-канальном транзисторе, показана на рис.1.8а.

+ E_c —

I_c R_c

C_c U_вых

E₃

Рис.8а

+ E_c —

VT2

VT1

C_c U_вых

E₃

Рис.8б.

Для запирания ключа на затвор транзистора подается напряжение , где U₀ - пороговое напряжение.

В запертом транзисторе остаточный ток есть обратный ток стокового p-n перехода, поскольку этот переход работает при обратном смещении, близком к Е_с. Следовательно, ток I_ост составляет не более 10^-9 – 10^-10А. При указанных значениях остаточного тока падение напряжения на R_c можно пренебречь и считать, что максимальное напряжение на запертом ключе U_макс =Е_с.

Для отпирания ключа на затвор подается напряжение . Тогда рабочий ток открытого транзистора (ток насыщения) определяется , как и у биполярного транзистора, внешними элементами схемы:

()

Рабочая точка в открытом состоянии ключа лежит на начальном квазилинейном участке характеристики МДП-транзистора. Поэтому остаточное напряжение можно получить, умножая ток насыщения () на сопротивление канала. Полагая , получаем

, ()

где b – удельная крутизна.

В МДП – транзисторе принципиальных ограничений на величину U_ост нет: остаточное напряжение можно сделать сколь угодно малым, увеличивая сопротивление R_c и напряжение Это одно из важнейших преимуществ МДП – транзисторных ключей перед биполярными, у которых величина U_ост принципиально ограничена напряжением U_кэ.

Ключ с динамической нагрузкой.Схема такого ключа, выполненного на однотипных транзисторах, показана на рис.8б. Роль динамической нагрузки выполняет транзистор Т2, у которого затвор соединен со стоком и который, тем самым является двухполюсником – резистором. В схеме с динамической нагрузкой транзистор называют нагрузочным, а транзистор Т1 – активным. Как показывает анализ такой схемы, остаточное напряжение будет мало, если выполняется соотношение b₂<<b₁, т.е транзисторы существенно различными по крутизне.

Комплементарный ключ. Схема такого ключа показана на рис.9.

+ Е_с —

U_зu2

P

n

U_вых

E₃ U_зu1

Рис.9.

Пусть в исходном состоянии управляющее напряжение равно Е_з=0. Тогда U_зи1=0; U_зи2= - Е_с. Значит n-канальный транзистор Т1 заперт, а p-канальный транзистор Т2 открыт.

Ток в общей цепи определяется запертым транзистором Т1 и составляет I_ост1. Открытый транзистор Т2, как и в предыдущих схемах, работает на квазилинейном участке характеристики. Умножая остаточный ток первого транзистора на сопротивление канала второго и полагая U_зи= Е_с, получаем напряжение на открытом транзисторе Т2:

()

Пусть теперь управляющее напряжение принимает положительное значение . Тогда

U_зи1=Е_с>U₀₁; U_зи2=0.

Значит теперь n-канальный транзистор Т1 открыт, а р-канальный транзистор Т2 заперт. При этом ток в общей цепи по-прежнему остается на уровне I_ост, хотя транзисторы поменялись местами.

Таким образом, важнейшей особенностью комплементарных ключей является то, что они практически не потребляют тока в обоих состояниях. Соответственно эти два состояния можно называть «закрытым и «открытым» только условно – по отношению к одному из транзисторов (например, n-канальному).

Однако устойчивые состояния различаются весьма четко по уровню выходного напряжения. Так, выше было показано, что при низком значении когда Т1 заперт, напряжение U_си2 на открытом транзистореТ2 ничтожно мало, а значит, выходное напряжение равно напряжению питания:

U_макс=Е_с. ()

При высоком значении когда открыт транзистор Т1, на нем падает такое же ничтожное напряжение. Величину U_си1 можно найти из выражения (), заменив индексы в правой части. Это и будет остаточное напряжение на ключе:

()

Малые остаточные напряжения являются еще одним преимуществом комплементарных ключей.