.

Динамические характеристик ключей на полевых транзисторах и повышение их быстродействия

Изобразим схему цифрового ключа на МОП-транзисторе с индуцированным каналом, стоковым резистором RС и временные диаграммы его работы (рис.15.14). На схеме изображена емкость нагрузки СН, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и UCИ = ЕС. Если напряжение UЗИ больше порового значения UЗИ ПОР транзистора, то он открывается и напряжение UСИ уменьшается до величины остаточного напряжения UВКЛ.
Напряжение UВКЛ зависит от сопротивления стока RC, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением RC, емкостью СН 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 (СН) может быть достигнуто увеличением управляющего напряжения UЗИ или уменьшением балластного сопротивления RС 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 RCудается 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 VT2соединены затвор и сток, поэтому он всегда будет находиться в насыщенном режиме, являясь генератором тока. Ток стока VT2будет 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 VT1насыщается, 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 СН происходит через соответствующий открытый транзистор (емкость разряжается через транзистор VT1и 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.