Ключи на полевых транзисторах

Ключи на полевых транзисторах используются для коммутации как аналоговых, так и цифровых сигналов. Достоинствами ключей на полевых транзисторах являются:

- малое остаточное напряжение на ключе, находящемся в открытом состоянии;

- высокое сопротивление в непроводящем состоянии и, как следствие, малый ток, протекающий через транзистор, канал которого перекрыт;

- малая мощность, потребляемая от источника управляющего напряжения;

- хорошая электрическая развязка между цепью управления и цепью коммутируемого сигнала;

- возможность коммутации электрических сигналов очень малого уровня (порядка мкВ).

По быстродействию ключи на полевых транзисторах обычно уступают ключам на биполярных транзисторах. Кроме того, у них наблюдается проникновение в коммутируемую цепь дополнительных импульсов, параметры которых зависят от управляющего сигнала. Причиной их появления является наличие емкостей затвор-сток и затвор-исток.

При увеличении частоты коммутации значительно возрастает входной ток полевого транзистора, что обусловлено необходимостью перезаряда его входной емкости. Таким образом, коэффициент усиления по мощности с ростом частоты падает.

Различие полярностей управляющего и входного напряжений существенно усложняет схемотехнику электронных ключей, по этой причине полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и МОП-транзисторы со встроенным каналом в схемах коммутации практически не используются.

Рассмотрим аналоговый коммутатор на МОП ПТ (рис. 15.12). VT₁ – это n-канальный МОП ПТ со индуцированным каналом, не проводящий ток при нулевом или отрицательном напряжении затвора.

Рис. 15.12. Ключ на n-канальном МОП-транзисторе с индуцированным каналом

В этом состоянии сопротивление сток-исток, как правило, больше 10000 МОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор напряжения +15 В приводит канал сток-исток в проводящее состояние с типичным сопротивлением R_ВКЛ от 25 до 100 Ом для ПТ, предназначенных для использования в качестве аналоговых ключей. Схема не критична к значению уровня сигнала на затворе, поскольку он существенно более положителен, чем это необходимо для поддержания малого R_ВКЛ, а потому его можно задавать от логических схем (лучше всего подходят логические уровни КМОП; можно использовать выход ТТЛ для получения уровней, соответствующих полному диапазону питания, с помощью внешнего транзистора) или даже ОУ: вполне годится +13 В с выхода усилителя, так как напряжение пробоя затвора для МОП - транзистора обычно равно 20 В или более. Обратное смещение затвора при отрицательных значениях выхода ОУ будет давать дополнительное преимущество - возможность переключать сигналы любой полярности. Следует заметить, что ключ на ПТ – двунаправленное устройство, т. е. он может пропускать сигнал в обе стороны, как и электромеханический переключатель.

Приведенная схема будет работать при положительных сигналах, не превышающих 10 В; при более высоком уровне сигнала напряжение на затворе будет недостаточным, чтобы удержать ПТ в состоянии проводимости (R_ВКЛ начинает расти); отрицательные сигналы вызовут включение ПТ при заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода канал - подложка). Если надо переключать сигналы обеих полярностей (т. е. в диапазоне от –10 до +10 В), то можно применить такую же схему, но с затвором, управляемым напряжением –15 В и +15 В; подложка должна быть подсоединена к напряжению –15 В.

Чтобы охватить наибольший диапазон входных напряжений, как в положительной, так и в отрицательной области, вместо одного МОП-транзистора лучше использовать КМОП-схему, состоящую из двух комплементарных МОП-транзисторов, включенных параллельно.

Для того чтобы перевести коммутатор в состояние «включено», нужно приложить к затвору нормально открытого МОП-транзистора VT₁ в схеме на рис. 15.13 положительное управляющее напряжение, равное, по меньшей мере 2U_ОТС, а к затвору транзистора VT₂ – такое же напряжение, но противоположное по знаку. При малых величинах входного напряжения U_ВХ оба МОП-транзистора будут открыты.

Рис. 15.13. Последовательный ключ на КМОП – транзисторах

Если входное напряжение вырастет до значительного положительного уровня, величина U_ЗИ1 уменьшится, а внутреннее сопротивление транзистора VT₁ увеличится. Это обстоятельство, однако, несущественно, так как одновременно увеличится величина U_ЗИ2 и внутреннее сопротивление транзистора VT₂ уменьшится. При отрицательных значениях входного напряжения транзисторы VT₁ и VT₂ меняются ролями. Для того чтобы перевести коммутатор в состояние «выключено», необходимо изменить полярность управляющего напряжения.

При смене полярности управляющего напряжения через проходную емкость затвор-канал на выход схемы коммутатора передается короткий импульс напряжения; этот импульс представляет собой помеху, особенно при малых уровнях коммутируемого напряжения. Чтобы амплитуда импульса помехи была незначительной, управляющее напряжение не должно быть слишком большим. Кроме того, желательно ограничить скорость изменения управляющего напряжения. Полезно также использовать низкоомные источники входного сигнала. Частоты переключения рассматриваемых коммутаторов невелики.

Из КМОП-коммутаторов наиболее удобны схемы со встроенным преобразователем уровня управляющего сигнала, которые совместимы с выходными сигналами ТТЛ-схем. Они выпускаются в интегральном исполнении, причем ИС часто содержит несколько коммутаторов, управляемых общим напряжением. Часто коммутаторы выполняются по схеме с общим входом или выходом. С помощью встроенного в интегральную схему распределителя типа «1 из n» можно путем подачи двоичного кода на управляющий вход переводить любой выбранный коммутатор в состояние «включено». Такие электронные схемы называются аналоговыми мультиплексорами или аналоговыми демультиплексорами.