Динамические характеристик ключей на полевых транзисторах и повышение их быстродействия

Изобразим схему цифрового ключа на МОП-транзисторе с индуцированным каналом, стоковым резистором R_С и временные диаграммы его работы (рис.15.14). На схеме изображена емкость нагрузки С_Н, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и U_CИ = Е_С. Если напряжение U_ЗИ больше порового значения U_{ЗИ ПОР} транзистора, то он открывается и напряжение U_СИ уменьшается до величины остаточного напряжения U_ВКЛ.

Напряжение U_ВКЛзависит от сопротивления стока R_C, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением R_C, емкостью С_Н и частотными свойствами транзистора. Таким образом, быстродействие ключа на МОП-транзисторе во многом определяется не параметрами транзистора, а параметрами внешней цепи.

Повышение быстродействия такого ключа при заданных параметрах нагрузки (С_Н) может быть достигнуто увеличением управляющего напряжения U_ЗИ или уменьшением балластного сопротивления R_С в цепи стока, что часто бывает неприемлемым.

Рис.15.14. Ключ на МОП-транзисторе с индуцированном каналом и его временные диаграммы

Частично устранить отмеченные недостатки ключа с активной нагрузкой R_Cудается при замене этого резистора дополнительным МОП-транзистором, выполняющим для основного ключевого элемента роль нелинейного балластного сопротивления (рис.15.15).

Рис.15.15. Электронный ключ с нагрузочным МОП-транзистором

У транзистора VT₂ соединены затвор и сток, поэтому он всегда будет находиться в насыщенном режиме, являясь генератором тока. Ток стока VT₂ будет определяться напряжением сток-исток, причем зависимость имеет нелинейный характер. Чем выше напряжение сток-исток VT₂, тем меньше эквивалентное сопротивление транзистора VT₂, выполняющего роль балластного элемента в цепи стока на транзисторе VT₁. Это позволяет ускорить процесс перезаряда нагрузочной емкости и время изменения выходного напряжения в режимах, когда напряжение сток-исток VT₂ близко к напряжению питания.

Таким образом, применение вместо балластного резистора нагрузочного МОП-транзистора позволяет значительно повысить быстродействие ключа на МОП-транзисторе.

Следует отметить, что такое решение является более технологичным и упрощает изготовление транзисторных ключей, так как технологически проще выполнить два одинаковых МОП-транзистора, чем транзистор и высокоомный (десятки и сотни килом) резистор.

Недостатком рассмотренных ключей на МОП-транзисторах является то, что во включенном состоянии транзистора через ключ протекает постоянный ток, который пропорционален сопротивлению нагрузки в цепи стока транзистора. Вследствие этого, постоянная составляющая тока, протекающая через включенный транзистор, является бесполезной и лишь приводит к перегреву транзисторного ключа.

От указанного недостатка свободен ключ, выполненный на комплементарных (с каналами противоположной проводимости) МОП-транзисторах (рис.15.16). В этом ключе затворы обоих МОП-транзисторов соединены между собой и образуют входной вывод. Стоки соединяются вместе и образуют выходной вывод, а истоки совместно с подложками подключены соответственно к источнику питания и общей шине.

Рис.15.16. Ключ на комплементарных МОП-транзисторах

Когда входное напряжение близко к нулю, открыт VT₂, на входе напряжение, близкое к напряжению источника питания. При увеличении входного напряжения до пороговой величины, большей значения отпирания VT₁, соответственно VT₁ насыщается, а VT₂ запирается. В этом случае выходное напряжение будет близко к нулю.

Уровень входного напряжения должен быть или достаточно высоким или низким, чтобы одновременно был открыт только один транзистор. Но если данное условие не выполняется, тогда оба транзисторы приоткрыты, т.е. находятся в промежуточном состоянии между отсечкой и насыщением и через них протекает так называемый сквозной ток. Если длительность переднего и заднего фронта входного импульса мала, то сквозной ток протекает короткое время, но и в этом случае он оказывает негативное влияние на работу схемы.

К достоинствам комплементарного ключа можно отнести то, что в каждом из двух установившихся режимов, т.е. в открытом и закрытом состоянии, ключ практически не потребляет ток от источника питания. Вторым важным достоинством ключа является резкое отличие выходного напряжения в открытом состоянии ключа (единицы микровольт) и выходного напряжения в закрытом состоянии (отличается от напряжения питания на микровольты). Это обеспечивает высокую помехоустойчивость цифровых схем на комплементарных ключах.

Важным достоинством комплементарного ключа является его быстродействие. Оно объясняется тем, что разряд и заряд емкости нагрузки С_Нпроисходит через соответствующий открытый транзистор (емкость разряжается через транзистор VT₁ и заряжается через VT₂). При этом в начале заряда или разряда протекает большой ток, который быстро изменяет напряжение на емкости нагрузки.

В случае если входной сигнал поступает от такого же ключа, то с увеличением уровня входного напряжение увеличивается уровень отпирающего сигнала на соответствующем транзисторе и тем больше его отпирающий ток. Следовательно, чем больше напряжение питания, тем выше быстродействие комплементарного ключа.

Описанные достоинства – максимально высокое быстродействие при минимальной рассеиваемой мощности выгодно отличают КМОП-ключи от других ключей на полевых транзисторах. Совмещение в одном устройстве двух противоречивых требований является причиной широкого использования КМОП-ключей в устройствах цифровой и импульсной техники.

ГЛАВА 16