Электронные ключи на полезых транзисторах.

Для построения электронных ключей можно использовать нолевые транзисторы: G управляющим -переходом, с изолированным затвором и встроенным или индуцированным каналом. В цифровой схемотехнике наибольшее распространение получили полевые МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник) с индуцированным или -каналом.

На рис. 4 15,а, б показаны стоковые и стоко-затворные ВАХ МДП-транзистора с индуцированным -каналом. Если напряжение , то канал для переноса зарядов не индуцирован и транзистор заперт.

Если , то в подзатворной области индуцируется -канал, через него протекает ток, определяемый напряжением между выводами канала, транзистор открыт и его рабочая точка находится в триодной либо пентодной области. На рис. 4.15,в приведено условное графическое изображение МДП-транзистора с индуцированным каналом -типа.

Рис. 4.15.

На рис. 4.16,а показана схема простейшего ключа на МДП-транзисторе, включенном по схеме с общим истоком и с линейной стоковой нагрузкой . Если нагрузкой ключа является активное сопротивление , его можно, воспользовавшись соотношениями для эквивалентного генератора, включить в эквивалентное сопротивление .

Рис. 4.16.

Статический режим такого ключа определяется нагрузочной линией на семействе стоковых характеристик (рис. 4.15,а). При низком уровне входного сигнала МДП-транзистор находится в режиме отсечки и поскольку ток утечки через закрытый канал у, весьма мал , можно считать высокий уровень выходного сигнала . Потребление энергии от источника в закрытом состоянии ключа .

При высоком уровне входного сигнала в транзисторе индуцирован канал и через него протекает ток , определяемый точкой пересечения нагрузочной линии со стоковой характеристикой . В зависимости от величины входного напряжения напряжения питания рабочая точка транзистора оказывается в «триодной» области (крутых участков стоковых характеристик), слева от линии

представляющей собой геометрическое место точек стоковых характеристик (область I на рис. ) либо в «пентодной» (область II пологих участков на рис. ), справа от линии (4.19). На выходе ключа устанавливается низкий потенциал

где стока, определяемый графически из рис. 4.15, а. Для аналитического определения рабочей точки открытого транзистора необходимо совместно решить уравнение (4.20) и одно из аппроксимирующих стоковые характеристики уравнений [27] для триодной области: или для пентодной области: , где v — удельная крутизна стоко-затворной характеристики.

Переходные процессы в ключах на полевых транзисторах обусловлены переносом носителей с подвижностью через канал длиной L и перезарядом межэлектродных емкостей транзистора (сток — затвор сток — исток и), а также емкости нагрузкн и паразитной емкости монтажа См.

Время переноса носителей через канал , где для электронов подвижность , а для дырок — , благодаря чему -канальные МДП-транзисторы обладают большим быстродействием. При длине капала L порядка единиц микрон и напряжении порядка десятков вольт весьма мало и имеет порядок с. Поэтому определяющим быстродействие ключей на МДП-транзисторе является процесс перезаряда межэлектродных и внешних емкостей транзистора.

На рис. показаны временные диаграммы идеализированного входного сигнала и выходного сигнала . Скачок входного сигнала в момент обусловливает синфазную помеху на выходе за счет передачи части входного сигнала непосредственно на выход через емкостный делитель напряжения из емкости и емкости , включающей в себя емкость сток-исток , емкость нагрузки и монтажа :

где .

Далее емкость разряжается, а емкость перезаряжается через открытый транзистор и стоковый резистор .

В основном скорость процесса на данном этапе определяется проводимостью открытого транзистора, выходное напряжение экспоненциально падает с постоянной времени разряда [92]

Тогда длительность отрицательного фронта выходного сигнала (интервал времени от до , когда сигнал падает на ) можно оценить, как

Рис. 4.17.

По заднему фронту входного сигнала в момент формируется синфазный выброс . Затем транзистор быстро (единицы наносекунд) запирается и далее происходят заряд эквивалентной емкости и перезаряд емкости , который протекает по экспоненциальному закону с постоянной времени заряда: . Соответственно длительность положительного фронта выходного сигнала

С позиций интегральной технологии рассмотренный ключ обладает существенными недостатками: сложно в едином технологическом цикле изготовлять транзисторы и высокоомные (стоковые — ) резисторы; велико потребление энергии в открытом состоянии .

Первый из недостатков устраняется в интегральных схемах заменой линейного резистора нелинейным, в качестве которого используется МДП-транзистор в двухполюсном включении (рис. 4.17,а) с закороченными затвором и стоком. Для транзистора . Если на семействе стоковых характеристик транзистора построить линию перегибов, разделяющую пентодную и триодную области (рис. ), для которой справедливо выражение (4.19), и сместить ее по оси напряжений на величину , получим нелинейную зависимость — ВАХ МДП-транзистора в двухполюсном включении (рис. 4.17,б — кривая 3).

На этом же графике приведены ВАХ нагрузочного транзистора при подаче на его затвор произвольного постоянного напряжения (кривая 2 — если кривая 4 - если . Для обеспечения ВАХ, близкой к линейной, в качестве нагрузочных изготавливают транзисторы с малой крутизной стоко-затворной характеристики и минимальным .

Рис. 4.18.

Построим ВАХ нелинейного двухполюсника на семействе стоковых характеристик переключательного транзистора как линию его нагрузки (рис. 4.17,в). Это позволяет графически определить уровни выходного напряжения ключа в выключенном и включенном состоянии, а также ток открытого транзистора с нагрузкой . Заметим, что в закрытом состоянии, когда оба транзистора закрыты, высокий уровень определен не строго, так как зависит от случайных сопротивлений утечек транзисторов :

и может изменяться в диапазоне .

Рассмотренная схема ключа более технологична для интегральной схемотехвики, но имеет высокое потребление когда транзистор открыт. Уменьшать мощность Рпот простым увеличением сопротивление можно лишь до определенных пределов, определяемых соотношениями для максимально допустимых длительностей фронтов . Очевидно, энергопотребление электронного ключа можно уменьшить, если в качестве нагрузки использовать элемент с управляемым внутренним сопротивлением, который при запирании транзистора должен иметь минимальное сопротивление, а при отпирании — максимальное.

В схеме на рис. 4.18,а в качестве нагрузки -канального транзистора использован -канальный транзистор , управляемый по цепи затвора входным сигналом . В силу симметрии схемы каждый из транзисторов представляет собой управляемую нагрузку для другого транзистора. Разные типы проводимости при управлении одним и тем же сигналом обеспечивают взаимно противоположные режимы работы.

Поэтому говорят, что транзисторы в данной схеме дополняют друг друга, образуют комплементарную структуру.

Вид статической передаточной характеристики комплементарной структуры зависит от соотношения напряжения питания и пороговых напряжений -канального и -канального транзисторов. Если , то передаточная характеристика (рис. 4.18, в) содержит следующие характерные области.

I. — транзистор в режиме отсечки, — транзистор в триодном режиме. Выходное напряжение определяется как результат деления напряжения источника питания между большим сопротивлением утечки запертого транзистора и малым сопротивлением в триодном режиме Ом, поэтому на выходе устанавливается высокий уровень . Типичное значение высокого уровня . Потребляемый от источника питания ток мал .

II. - граничное напряжение перехода транзистора из триодного режима в пентодный. В этой области работает в пентодной, триодной области характеристик. Комплементарная пара находится в усилительном режиме с коэффициентом передачи напряжения , где — дифференциальное сопротивление стока транзистора в пентодном режиме, — статический коэффициент усиления транзистора мал, так как . Ток потребления нарастает.

III. - граничное напряжение перехода транзистора из пентодного режима в триодный. Оба транзистора находятся в пентодном режиме и обеспечивают максимальный коэффициент передачи напряжения . Ток потребления продолжает нарастать к середине области III до величины (рис. 4.18, б, в) и затем с ростом ток потребления начинает уменьшаться, так как транзистор от значения закрывается быстрее, чем открывается .

IV. транзистор из пентодного переходит в триодный режим, остается в пентодном. Коэффициент передачи напряжения меньше, чем в области III, и с ростом уменьшается, так как уменьшается дифференциальное сопротивление транзистора VT1 в триодном режиме. Ток потребления уменьшается за счет запирания транзистора .

транзистор находится в триодном режиме, траизистор — в режиме отсечки и через его опротивление утечки течет весьма малый ток.

Выходное напряжение ключа Типичное значе. ние низкого уровня на . Ток потребления от источника питания ничтожно мал

При использовании источника питания области II, III, IV передаточной характеристики (рис. 4.18,в) смыкаются и остаются только области I и V, для которых все сказанное выше остается справедливым. Появляется зона перекрытая областей I и V, в которой оба транзистора находятся в режиме отсечки и уровень выходного сигнала определяется сопротивлениями утечки запертых транзисторов

причем изменяются в довольно широких пределах по случайному закону. Неопределенность в зоне перекрытия устраняется при подключении внешней нагрузки.

Переходные процессы в ключе на комплементарных МДП-транзисторах определяются перезарядом межэлектродных емкостей транзисторов , а также емкости нагрузки Си И паразитной емкости монтажа См (рис. 4.19).

Пусть до момента . Тогда транзистор VT1 заперт, — в триодном режиме. На выходе ключа имеем высокий уровень сшнала емкости заряжены, а — разряжены. Скачок входного сигнала в момент обуславливает синфазную помеху на выходе

где . Если , то транзистор оказывается запертым, открыт и его рабочая точка по мере уменьшення выходного потенциала перемещается из пентодной области в триодную. Скорость спада выходного напряжения определяется разрядом емкости С; , зарядом и перезарядом емкости через открытый транзистор , дифференциальное сопротивление которого и по мере уменьшения потенциала также уменьшается.

Рис. 4.19.

Потому функция изменения на рис. 4.19, б отлична от экспоненциальной и длительность отрицательного фронта выходного сигнала можно определить с помощью соотношения [92]

где .

По заднему фронту входного сигнала в момент на выходе ключа также формируется синфазная помеха , амплитуда которой определяется из уравнения (4.22). Транзистор переходит в режим отсечки, транзистор — сначала в пентодный а затем по мере нарастания выходного напряжения (уменьшения напряжения — в триодный режим. Положительный фронт выходного сигнала также формируется по закону, отличному от экспоненциального и определяется соотношением [92]

Ток потребления также связан с перезарядом эквивалентной емкости С, поскольку сквозной ток через оба транзистора при практически мгновенном затирании одного из них можно не учитывать.

Ключи на комплементарных МДП-транзисторах (КМДПТ) обеспечивают высокое быстродействие при весьма малом энергопотреблении, которое зависит от частоты переключения. Они обеспечивают максимальное использование напряжения питания и сохраняют работоспособность в широком диапазоне питающих напряжений. Наименьшим энергопотреблением характеризуются ключи, питаемые от источника напряжения в которых активная составляющая гока потребления . Малое энергопотребление позволяет использовать ключи на КМДПТ в качестве базовых элементов интегральных схем с высокой степенью интеграции.

Отмеченные достоинства таких ключевых схем достигаются усложнением технологии их изготовления и увеличением стоимости, по но мере совершенствования технологии ИМС эти недостатки становятся все менее существенными.