Лек.12 Ключи на ПТ

транзисторы. Наиболее удобно в качестве ключа применять МДП транзистор с

индуцированным n-каналом. Это удобство связано с тем, что у него питание и пороговое напряжение имеет одинаковую полярность, а потому сигнал управления работой ключа имеет одну полярность.
Известны три разновидности МДП - транзисторных ключей:
1. ключи с резистивной нагрузкой
2. ключи с динамической (транзисторной) нагрузкой.
3. ключи на комплиментарные МДП-транзисторах (на МДП-транзисторах с каналами противоположного типа проводимости).

Необходимо учитывать, что режим насыщения для МДП-транзистора принципиально отличается от режима насыщения биполярного транзистора. Переходные процессы в ключах на полевых транзисторах обусловлены переносом носителей через канал и перезарядом междуэлектродных емкостей, емкостей нагрузки и монтажа.
Так как электроны обладают более высоким быстродействием, чем дырки, то n-канальные транзисторы обладают лучшим быстродействием по сравнению с р-канальными.

нагрузкой, с динамической (транзисторной) нагрузкой и комплиментарные (на транзисторах с

каналами противоположного типа проводимости).

Схема МДП-транзисторного ключа с резистивной нагрузкой показана на рис.
Для запирания ключа на затвор подают напряжение Ез.выкл < U0, где U0 — пороговое напряжение; для отпирания следует подать напряжение Ез.вкл >U 0 (обычно в логических схемах Ез. выкл = U0 , Ез. вкл = Ес).
Выходные вольт-амперные характеристики ключа приведены на рис. 3.7. Слева от штриховой линии Uси = Uзи –U0 расположена крутая область характеристик; справа располагается пологая область.

напряжение U0вх

р-n-перехода Iост – 10-8-10-10А. Точка А на ВАХ. Uвых=Еп.
Для включения ключа U1вх>Uпор. Для получения малых остаточных напряжений Uост необходимо увеличивать Rc до н100кОм.
При этом Uвых=Uост, Iс=(Еп-Uост)/Rс.
Для уменьшения Uост необходимо увеличивать U+з=U1вх



Недостатком данных ключей является наличие резисторов, которые занимают в подложке значительно больше места, чем транзистор.

активный, а Т2 – нагрузка.

Роль динамической нагрузки выполняет транзистор Т2.

Сопротивление

транзистора Т2 зависит от напряжения на нем. При большом напряжении-Ес – велико, а с уменьшением напряжения уменьшается. Нагрузочная кривая приведена на рис.

Если UвхЕсли Uвх>U0, ключ открыт Iс= IсиVT2, а Uвых≈Uост. Точка В.




Чтобы Uост было мало транзисторы должны обладать разными параметрами.

VT1 находится в режиме отсечки, транзистор VT2 будет включен. Ic=I0,

, Uвых= Еп.
Если сигнал на входе имеет высокий уровень, то n-канальный транзистор VT1 отпирается до насыщения, а p-канальный транзистор VT2 выключается (переходит в режим отсечки). Ic=I0, , Uвых= 0В, (примерно до 10 мВ)

перезарядом емкостей, входящих в состав комплексной нагрузки. Для удобства анализа

переходных процессов все ёмкости заменим одной Сн (рис.16.5). Типичное значение этой ёмкости у транзисторов с длиной канала менее 1 мкм составляет не более 1 пФ.

Современная технология изготовления полевых транзисторов позволяет изготавливать практически безинерционные транзисторы, их граничная частота может быть ~ 1015 Гц. Поэтому быстродействие схем на МДП-транзисторах в основном определяется временем заряда и разряда паразитной ёмкости. Перезаряд этих ёмкостей в ключах на МДП-транзисторах занимает достаточно большое время, тем более, если учесть, что он происходит через большое сопротивление.

Ключи с динамическим сопротивлением нагрузки обладают таким же медленным быстродействием, что и с резистивной нагрузкой. Наилучшим быстродействием обладают ключи на МДП-транзисторах, в них заряд и разряд паразитной ёмкости происходит через открытый транзистор, поэтому длительность фронта и длительность среза примерно одинаковы: СР = ФР

выключен. Uвых=Ес.
При Uвх>U0ключ включен, происходит разрядС0 через транзистор в состоянии

насыщения током Ic(0).
Время разряда – время среза


При Uвх Время заряда – время фронта:

происходит аналогично.







Отсюда быстродействие переключения хуже чем в предыдущей схеме.

В МОП-ключах обусловлены в основном переза-рядом емкостей, входящих в состав

комплексной нагрузки. Для удобства анализа переходных процессов все ёмкости заменим одной Сн (рис.16.5). Ти-пичное значение этой ёмкости у транзисторов с длиной канала менее 1 мкм составляет не более 1 пФ.
Заряд ёмкости Сн происходит через транзистор VT2, когда он открыт (рис.16.7, в это время VT1 закрыт), а разряд ─ через открытый VT
1 ( в это время VT2 закрыт, рис.16.8). Длительность переходных процессов у обоих транзисторов примерно одинакова, но это при условии, если транзисторы согласованы по параметрам ─ крутизне и пороговым на-пряжениям.
Процесс заряда конденсатора можно представить простейшей экспоненциальной функцией.
В КМОП-инверторе заряд и разряд конденсатора Сн происходит примерно в одинаковых условиях, так как схема симметрична по отношению к запирающим и отпирающим импульсам.
Конечно же есть небольшая разница в этих временных интервалах, но она настолько незначительна, что можем считать tф ≈ tс.

МОП-транзисторами мал, а это ограничивает скорость заряда ёмкости и снижает

быстродействие ключа в целом.
У биполярных транзисторов способность отдавать ток в нагрузку гораздо выше, чем у МОП-транзисторов: они имеют большую передаточную проводимость. Это преимущество биполярного транзистора и легло в основу разработки БиКМОП-логических элементов. На рис.16.9 показана схема простейшего БиКМОП-инвертора.