§ 7.6. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧАХ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Переходные процессы в ключах на полевых транзисторах разных типов имеют элементы общности и различаются только второстепенными деталями. Они в основном обусловлены перезарядкой межэлектродных емкостей, которые нелинейны и зависят от напряжений между электродами транзистора. При этом для упрощения обычно пренебрегают временем пролета носителей заряда через канал, которое достаточно мало.

Нелинейности межэлектродных емкостей и сопротивления канала затрудняют точный количественный анализ. Поэтому рассмотрение переходных процессов проведем только качественно, ставя цель уяснить влияние на них отдельных параметров транзистора.

Для определенности используем схему ключа рис. 7.21, г. Эквивалентная схема ключевой цепи имеет вид, показанный на рис. 7.25, а.

Пусть ключ управляется напряжением, изменяющимся ступенчато от до причем . Тогда при транзистор закрыт и напряжение на равно нулю. Напряжение на конденсаторах близко к напряжению источников питания Е.

Рис. 7.25. Упрощенная эквивалентная схема МОП транзистора (д); эквивалентная схема ключа (о); диаграммы изменения входного и выходного напряжений при отпирании транзисторною ключа (в)

При подаче на вход скачка напряжения — (рис. 7.25, б) начнется переходный процесс отпирания ТК. Так как источник управляющего сигнала имеет конечное внутреннее сопротивление , то в первый момент времени напряжение затвора не изменится, а через резистор потечет ток

Если , то равны и их токи, так как напряжения на емкостях в первый момент времени остаются неизменными. Токи (рис. 7.25, в) начнут перезаряжать конденсаторы . Выходное напряжение из-за дополнительного падения напряжения на резисторе и зарядки емкости увеличивается по модулю, становясь более отрицательным (рис. 7.25, г). Другими словами, входные емкости создают выброс напряжения в выходной цепи, пропорциональный сигналу управления. Однако наличие емкости приводит к тому, что выброс появляется не скачком, а нарастает по мере зарядки конденсатора . Как только напряжение на конденсаторе достигнет порогового напряжения, транзистор откроется и ток зарядки конденсатора начнет идти также по цепи канала. При этом ток увеличивается. Это приводит к быстрому нарастанию модуля напряжения на затворе и соответствующему снижению выходного напряжения. Наличие заряженного конденсатора затягивает переходный процесс, так как часть тока канала идет на перезарядку емкости этого конденсатора.

Таким образом, напряжение на выходе ТК начнет уменьшаться по модулю относительно своего значения в статическом режиме только через промежуток времени (время задержки).

По мере зарядки конденсаторов модуль напряжения на затворе увеличивается, а сопротивление канала уменьшается. Соответственно снижается модуль выходного напряжения. Если достаточно велико по модулю, а емкость значительна, что имеет место при емкостной нагрузке ключа, то при каком-то значении напряжения сопротивление канала практически перестает изменяться. Транзистор оказывается «полностью» открытым. Однако если емкость , к которой относим и емкость нагрузки, велика, то за время она не успеет разрядиться до значения напряжения, соответствующего статическому режиму при достаточно высоком ). Транзистор окажется в области, когда сопротивление его канала квазипостоянно, а напряжение на электродах меняется из-за продолжающейся разрядки конденсатора . По мере разрядки конденсатора с постоянной времени выходное напряжение стремится к нулю и переходный процесс открывания ТК заканчивается. При этом заряжены до напряжения , а напряжение на емкости близко к нулю.

Таким образом, прогресс открывания полевого транзистора сопровождается проникновением в коммутируемую цепь импульса напряжения (выброса), пропорционального управляющему сигналу, который задерживает момент начала изменения в нужную сторону выходного напряжения ТК и меняет форму выходного сигнала.

При запирании ТК на вход подают положительный перепад напряжения так, чтобы (в данном случае ). Распределение потенциалов в схеме в момент подачи запирающего напряжения показано на рис. 7.26, а.

В первый момент времени напряжение остается неизменным. В цепи затвора скачком появляется ток, обусловленный перезарядкой конденсаторов :

Рис. 7.26. Эквивалентная схема ключа при полачс запирающего сигнала (а); диаграммы изменений напряжений при запирании ключа (б)

Так как конденсатор разряжен и его заряд не может измениться мгновенно, то выходное напряжение ключа в момент подачи управляющего сигнала остается практически постоянным. По мере зарядки емкости током выходное напряжение возрастает и в выходном сигнале появляется выброс напряжения, полярность которого совпадает с полярностью отпирающего сигнала (рис. 7.26, б).

По мере зарядки конденсаторов изменяется напряжение на затворе и сопротивление канала увеличивается. Это приводит к уменьшению до нуля положительного выброса и к дальнейшему снижению выходного напряжения вплоть до установившегося значения. Емкость существенно замедляет этот процесс, так как ее зарядка идет через резистор с постоянной времени .

Как только напряжение на затворе достигнет своего порогового значения (момент времени ), транзистор закроется. Однако напряжения на его электродах продолжают изменяться из-за продолжающейся зарядки конденсаторов . И только после окончания их перезарядки переходный процесс закончится и напряжение на выходе станет установившимся.

Таким образом, переходные процессы запирания и отпирания транзисторного ключа на полевом транзисторе сопровождаются импульсами в выходной цепи. Они совпадают с полярностью управляющего сигнала, пропорциональны ему по величине и задерживают момент начала изменения выходного напряжения на время в сторону, определяемую полярностью управляющего сигнала.

Очевидно, что размах и форма импульсов зависят как от параметров полевого транзистора, так и от значения и формы управляющего напряжения.

Для уменьшения длительности переходных процессов следует применять транзисторы, имеющие малые емкости , причем емкости играют более существенную роль из-за сравнительно больших сопротивлений, через которые осуществляется их перезарядка. Емкость нагрузки, подключенной к выходу, эквивалентна увеличению емкости . Поэтому в быстродействующих ключах в качестве нагрузки целесообразно использовать чисто активные сопротивления.

В ключах на дискретных полевых транзисторах длительность переходных процессов составляет доли — несколько . Успехи интегральной технологии позволили создать интегральные ключевые схемы с длительностью переходных процессов в десятки — сотни не, которые успешно работают на частотах 3—5 МГц. Это в основном касается КМОП-ключей, в которых перезарядка емкостей нагрузки и осуществляется через сравнительно малые сопротивления каналов транзисторов .

Для аналоговых ключей существенное значение имеют выбросы, проникающие в цепь коммутируемых сигналов.

Для их уменьшения применяют схемотехнические приемы. Так, например, в схеме рис. 7.23, в ключи управляются напряжениями противоположной полярности. Это приводит к появлению разноиолярных импульсов, которые при идентичных транзисторах и равных по модулю управляющих сигналах компенсируют друг друга. Такая компенсация оказалась достаточно эффективной и широко используется в аналоговых интегральных ключах и мультиплексорах.