ЛР 11 Ключевые элементы на ПТ
.pdf
6. Основные сведения
Ключевые элементы на МДП-транзисторах
Ключевой элемент на МДП-транзисторе с резистивной нагрузкой.
Схема такого ключа показана на рис. 2. На рис. 3 приведены выходные (стоковые) характеристики транзистора с нанесенной на них нагрузочной прямой Uс = Eп − IсRс . Как и в случае биполярного ключа с общим
эмиттером, при действии на входе большого сигнала рабочая точка проходит три области ВАХ, соответствующие трем возможным режимам работы:
−область отсечки, соответствующая режиму закрытого транзистора;
−активная область, соответствующая пологой области ВАХ;
−крутая область ВАХ и максимальная проводимость канала.
|
На вольт-амперной характеристике закрытому |
||
|
состоянию ключа соответствует |
точка |
В (область |
|
отсечки), а открытому состоянию – точка |
А (крутая |
|
|
область ВАХ). |
|
|
|
Для запирания транзистора на вход схемы (на |
||
|
затвор транзистора) надо подать напряжение Uвх0 <Uо, |
||
|
где Uо- пороговое напряжение транзистора, |
||
|
определяемое по стоко-затворным характеристикам. В |
||
Рис. 2 |
закрытом состоянии ток транзистора Iсз (остаточный |
||
|
ток) минимален и равен обратному току стокового |
||
p-n-перехода. |
Следовательно, Iсз =10−9...10−10 А, т. е. |
можно считать, что |
|
этот ток практически равен нулю. Выходное же напряжение максимально и
равно: Uвых =Uсиз ≈ Eп =Uвых1 .
Для отпирания транзистора на затвор подается напряжение Uвх1 >Uо.
Это напряжение должно быть достаточно большим, чтобы рабочая точка А (рис. 3) соответствовала как можно меньшему остаточному напряжению:
Uвых =Uсо =Uвых0 . Тогда рабочий ток открытого ключа (ток насыщения) определяется, как и у биполярного ключа, внешними элементами схемы.
Iсн = (Eп −Uсо) / Rс ≈ Eп / Rс . |
(1) |
Рис.3
В открытом состоянии ключа рабочая точка A лежит на начальном, квазилинейном участке характеристики МДП-транзистора. Поэтому остаточное напряжение можно определить, умножая ток насыщения (1) на сопротивление канала rк :
|
|
U |
со |
=U 0 |
= I |
r . |
(2) |
|
|
|
вых |
|
сн к |
|
|
При совместной |
работе |
|
ключей |
в |
последовательной |
цепочке |
|
отпирающий сигнал |
Uвх1 поступает |
от предыдущего (запертого) |
ключа. |
||||
Поэтому напряжение на затворе открытого транзистора равно U зи = Eп . Следовательно, сопротивление канала открытого транзистора равно [1]:
r [2β(E |
п |
−U |
о |
)]−1 |
, |
(3) |
к |
|
|
|
|
где β - приведенная крутизна МДП-транзистора. Часто вместо β в справочниках или в других документах приводится коэффициент
пропорциональности |
k p = 2β . Для |
МДП-транзисторов логических |
интегральных схем |
k p =0.1...1мА/ В2 , |
Eп =5...10В, Uо = 2...3В. Поэтому |
сопротивление канала rк составляет величину от сотен Ом до нескольких единиц кОм. Значит, для уменьшения выходного напряжения открытой
схемы Uвых0 необходимо выбирать сопротивление Rс как можно большим (не менее 10 кОм).
Для силовой электроники выпускаются транзисторы с сопротивлением канала открытого транзистора rк<1 Ом, что намного эффективнее биполярного ключа.
На рис. 4 приведена передаточная характеристика ключевого элемента с резистивной нагрузкой и отмечены области работы транзистора по каждому участку кривой.
Пока входное напряжение Uвх <Uо =U пор0 , транзистор закрыт, и
Uвых =Uвых1 ≈ Eп .
При входном сигнале, лежащем в диапазоне Uпор0 <Uвх <Uпор1 , транзистор работает в пологой области характеристик, и схема ведет себя как усилительный каскад с общим истоком, коэффициент усиления которого равен
Ku = Uвых / Uвх = −SRc , |
(4) |
где S = 2β(U зи −Uо) – крутизна транзистора для малого сигнала.
При Uвх =U пор1 транзистор переходит в крутую область вольт-амперных
характеристик, где крутизна транзистора S уменьшается. Вместе с ней уменьшается и дифференциальный коэффициент передачи Ku . При этом
выходное напряжение постепенно стремится к уровню Uвых0 =Uсо .
Рис.4 |
Рис.5 |
|
Ключ с динамической нагрузкой. В интегральных логических схемах для уменьшения площади логического элемента резистор Rс (рис.2) заменяют МДП-транзистором. Схема такого инвертора, выполненного на однотипных транзисторах, показана на рис. 5. Роль динамической нагрузки выполняет транзистор VT2, у которого затвор соединен со стоком и который, тем самым, является двухполюсником – резистором. Транзистор VT2 называют нагрузочным, а VT1 – активным.
Можно показать, что транзистор VT2 всегда работает на пологом участке выходных вольт-амперных характеристик. Поэтому линия нагрузки (см. рис. 6) определяется током стока нагрузочного транзистора:
Iс = β(Uси2 −Uо2 )2 = β(Eп −Uси1 −Uо2 )2 . |
(5) |
Как видно, эта ВАХ – параболическая, т.е. нелинейная.
В закрытом состоянии ключа, когда на вход подано напряжение Uвх0 <Uо1 , остаточный ток имеет примерно то же значение, что и в
резисторном ключе (10−9...10−10 А и менее), а максимальное выходное напряжение определяется точкой пересечения линии нагрузки, определяемой уравнением (5), и ВАХ активного транзистора (рис. 6). Видно, что это напряжение равно
Uвых ≈ Eп −Uо2 =Uвых1 , |
(6) |
т.е. выходное напряжение закрытой схемы с динамической нагрузкой меньше, чем Uвых1 у схемы с резистивной нагрузкой.
Рис.6
В открытом состоянии ключа, когда на вход подано напряжение Uвх1 >Uо рабочая точка А лежит на квазилинейном участке характеристики
активного транзистора VT1 . Остаточное напряжение в этой точке определяет выходное напряжение логического нуля и равно
U |
|
= |
β2 |
|
(U зи2 −Uо2 )2 |
=U 0 . |
(7) |
|||
|
2β |
|
||||||||
|
ост |
|
|
U |
зи1 |
−U |
о1 |
вых |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||
Поскольку на практике всегда выполняется условие (U зи1 −Uо1) ≤(U зи2 −Uо2 ) , то для того, чтобы остаточное напряжение было
мало, в ключе с динамической нагрузкой необходимо выполнить соотношение β1>>β2 , т.е. транзисторы должны существенно различаться.
Для повышения Uвых1 до значения Eп в качестве нагрузочного
транзистора VT2 в современной технологии логических интегральных схем (так называемая n-МОП технология) используют МДП-транзистор со встроенным каналом. В этом случае нагрузочный транзистор работает в крутой области характеристик и ведет себя как обычный резистор. Работа и характеристики такой схемы ничем не отличаются от ранее рассмотренной схемы с резистивной нагрузкой.
Комплементарный ключ. Схема такого ключа показана на рис. 7. Она базируется на двух транзисторах с разным типом проводимости канала.
Транзистор VT1 с каналом n-типа играет роль активного элемента, а транзистор VT2 с каналом р- типа выступает в роли динамической нагрузки. Затворы обоих транзисторов объединены и на них подается управляющее напряжение Uвх. Подложки транзисторов соединены с их истоками.
|
Пусть управляющее напряжение Uвх=0. Тогда |
||||||
|
U зи1 =0 |
и U зи2 = −Еп. |
Значит, |
n-канальный |
|||
|
транзистор VT1 заперт, а р-канальный транзистор |
||||||
Рис. 7 |
VT2 открыт (считается, что |
|
Uо2 |
|
< Eп ). Ток в цепи |
||
|
|
||||||
|
питания определяется запертым транзистором VT1 и |
||||||
равен остаточному току Iост1 ≈0 . |
Открытый транзистор VT2 |
работает в |
|||||
крутой области ВАХ, и сопротивление его канала определяется соотношением (6). Падение напряжения на этом транзисторе Uси2 можно определить, перемножив остаточный ток первого транзистора на
сопротивление канала второго. Нетрудно получить, что |
Uси2 ≈0 , |
т.е. |
||||
выходное напряжение в этом случае максимально и равно |
|
|
|
|||
|
Uвых = Eп −Uои2 = Eп =Uвых1 . |
|
(8) |
|
||
Пусть |
теперь управляющее напряжение |
Uвх =Uвых1 |
= Eп . Тогда |
|||
U зи1 = Eп и U зи2 =0 . Значит, |
теперь n-канальный транзистор VT1 |
открыт, а |
||||
р-канальный |
транзистор VT2 |
закрыт. При этом |
ток в общей |
цепи |
по- |
|
прежнему определяется запертым транзистором VT2 и равен его остаточному току Iост2 ≈0 , хотя транзисторы и «поменялись местами». Как и выше,
можно показать, что в этом случае
Uвых =Uои1 ≈0 =Uвых0 . |
(9) |
Таким образом, в любом из рассмотренных статических состояний токи стоков транзисторов равны нулю. Следовательно, и ток источника питания, и потребляемая мощность этой схемы в статическом режиме равны нулю.
Основной характеристикой, позволяющей проследить функционирование ключевого элемента является его передаточная
характеристика Uвых = f(Uвх). Эта зависимость для случая |
напряжения |
||||
питания Eп ≥Uо1 + |
|
Uо2 |
|
показана на рис. 8. Там же |
представлена |
|
|
||||
зависимость тока потребления от входного напряжения Iпит(Uвх) .
Передаточную характеристику можно разбить на пять участков, соответствующих различным режимам работы транзисторов.
При малом входном сигнале (Uвх <Uпор0 =Uо1 ) транзистор VT1 закрыт, а
VT2 – работает в крутой области характеристик. Напряжение на выходе
максимально |
и |
равно Uвых = Eп =Uвых1 |
|
(участок 1-2). |
|
|
|
При |
увеличении |
входного |
|
напряжения |
до |
значения |
Uвх =U пор0 |
транзистор VT1 отпирается, и его рабочая точка попадает в пологую область характеристик, а VT2 продолжает работать в крутой области. Выходное напряжение начинает уменьшаться (участок 2-3). Ток источника постепенно увеличивается и определяется пропускной способностью
транзистора VT1 .
Рис. 8
По мере роста Uвх рабочая точка
транзистора VT2 переходит в пологую область. Дифференциальное сопротивление нагрузочного транзистора резко возрастает и, следовательно, резко увеличивается коэффициент усиления схемы Ku . Выходное напряжение быстро уменьшается (участок 3-4), а ток потребления достигает максимального значения Icм.
В конце концов, изменяется режим работы транзистора VT1 . Его рабочая точка перемещается на крутой участок характеристик, и спад выходного напряжения уменьшается (участок 4-5), а ток Iпит начинает уменьшаться, так как транзистор VT2 подзакрывается.
И, наконец, при Uвх =Uпор1 = Eп − Uои2 транзистор VT2 попадает в режим отсечки, и напряжение на выходе фиксируется на уровне Uвых0 ≈0 (участок 5-6).
Как видно (рис. 8), передаточная характеристика комплементарного ключа близка к релейной, так как коэффициент передачи Ku на участке 3-4 очень большой. Входное напряжение, соответствующее этому участку, можно назвать напряжением переключения Uпер комплементарного ключа. В
практических случаях транзисторы VT1 и VT2 имеют примерно одинаковые параметры. Поэтому Uпер ≈ Eп / 2 .
Широкий диапазон выходного напряжения и низкий уровень мощности, потребляемой от источника питания в статическом режиме, являются основными достоинствами комплементарного ключа.
Переходные процессы. Инерционность МДП-транзисторных ключей обусловлена главным образом перезарядом емкости нагрузки [1]. На рис. 9 показана эквивалентная схема ключа с резистивной нагрузкой, работающего в последовательной цепочке на аналогичные схемы. Конденсатор Сн отражает все паразитные емкости реальной схемы:
Cн =Ссп + KCзс +Спар +Свх. |
Здесь Ссп |
– |
емкость |
сток-подложка, |
|
Cзс– емкость затвор-сток, K – коэффициент, связанный с эффектом Миллера |
|||||
[1], |
увеличивающий емкость нагрузки |
в |
несколько |
(5…20) раз, |
|
Спар– |
паразитная емкость |
монтажных соединений, Свх – |
эквивалентная |
||
входная емкость последующей схемы-нагрузки. Суммарная емкость нагрузки в логических интегральных схемах равна Cн =1...5пФ.
Рис.9
Пусть в исходном состоянии Uвх = Еп, транзистор открыт и на нем
падает небольшое остаточное напряжение. При снятии входного сигнала (Uвх =0 ) ток в транзисторе мгновенно уменьшается до нуля, и емкость Cн
заряжается от источника питания Еп через резистор Rc с постоянной времени τc = RcCн (рис. 9,а). Рабочая точка транзистора перемещается по
пути А-1-2-В. Время заряда, т.е. длительность фронта выходного напряжения, определенная по уровням 0,1…0,9, составляет
t01 |
= 2,2R C |
н |
= 2,2(E |
C |
н |
/ I |
сн |
). |
(10) |
ф |
c |
п |
|
|
|
|
Отпирание ключа и формирование среза импульса напряжения протекает несколько сложнее. В этом случае рабочая точка транзистора перемещается по пути В-3-4-5-А. После подачи отпирающего сигнала Uвх = Еп ток Ic практически мгновенно достигает значения
Ic* = β(Eп −Uo )2 |
(11) |
(см. рис. 9,б). Этим током начинает разряжаться емкость Cн. По мере разряда емкости напряжение на стоке Uc уменьшается. До тех пор, пока оно остается больше напряжения насыщения Ucн, равного Еп −Uo , транзистор работает на пологом участке характеристики и ток сохраняет значение Ic* (рис. 9,в). Затем ток Ic начинает уменьшаться, стремясь в пределе к значению Icн. Это
замедляет скорость разряда. |
Для расчета времени |
спада можно |
воспользоваться следующим приближенным значением [1]: |
|
|
|
tф10 =1,5(EпCн / Ic* ) . |
(12) |
Можно показать, что срез положительного импульса tф10 значительно короче его фронта tф01 . В общем случае такой вывод вытекает из структуры выражений (10) и (12), которые различаются только значениями токов. Из рис. 9 ясно, что Ic* >> Iсн . Отсюда неизбежно следует, что tф10 <<tф01 .
Таким образом, быстродействие данного типа ключей определяется длительностью фронта tф01 . Для
уменьшения времени tф01 необходимо уменьшать сопротивление Rc , а это
приводит к росту остаточного напряжения на ключе (см. (2)). Следовательно, возможности повышения быстродействия ограничены. Общий вид переходных процессов в рассмотренной схеме показан на рис. 10.
Рис. 10
В ключе с динамической нагрузкой (рис. 5) формирование среза происходит так же, как и в ключе с резисторной нагрузкой, а время tф10
определяется формулой (12). Ток Ic* , входящий в выражение (12), является начальным током активного транзистора VT1 и равен
Ic* = βo1(Eп −Uo1)2 . |
(13) |
Формирование фронта происходит в период заряда емкости Cн через
нелинейную динамическую нагрузку. Учитывая параболический характер ВАХ (6), можно заранее ожидать, что заряд емкости будет происходить
медленнее, чем при резисторной нагрузке, а время tф01 будет больше. Поэтому в ключах с динамической нагрузкой, как и в резисторных ключах, быстродействие определяется длительностью tф01 .
Вкомплементарном ключе (рис. 7) переходные процессы
характеризуются тем, что заряд и разряд нагрузочной емкости Cн происходят примерно в одинаковых условиях. Это объясняется симметрией схемы по отношению к запирающему и отпирающему сигналу.
Заряд емкости происходит через открытый транзистор VT2 при запертом VT1. Разряд – через открытый транзистор VT1 при запертом VT2 . В том и другом случае транзистор, открывшийся после очередного переключения, сначала работает на пологом участке со сравнительно большим током Ic* .
Затем, по мере заряда или разряда емкости, напряжение сток-исток падает ниже значения Ucн, и ток начинает уменьшаться. Следовательно, механизм
обоих процессов (заряда и разряда) тот же, который был рассмотрен при анализе разряда в ключе с резисторной нагрузкой (рис. 9).
Соответственно длительности фронта и среза определяются однотипными выражениями, аналогичными (12):
t10 |
=1,5(E |
C |
|
/ I * |
) = |
|
1,5EпCн |
|
. |
(14,а) |
|||
|
|
|
)2 |
||||||||||
ф |
п |
|
н |
c1 |
|
β (E |
п |
−U |
o1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||
tф01 =1,5(EпCн / Ic*2 ) = |
|
1,5EпCн |
. |
(14,б) |
|||
|
|
||||||
β2 |
(Eп − |
Uo2 |
)2 |
||||
|
|
|
|||||
В формулах (14) индексы 1 и 2 подчеркивают различие параметров n- и р-канального транзистора. Однако это различие несущественно. Поэтому длительности фронта и среза оказываются одинаковыми.
Контрольные вопросы и задачи для самостоятельной работы
1.Доказать, что сопротивление канала открытого МДП-транзистора в последовательной цепочке инверторов (рис. 2) определяется соотношением (3).
2.Определить сопротивление Rс в схеме инвертора с резистивной нагрузкой
(рис. 2), если Еп = 20В, U0 = 5В, β = 0.7мА/В2, а U0вых < 0,5В.
3.В схеме МДП-ключа с резистивной нагрузкой (рис. 2) определить выходное напряжение при а) Uвх = 3В; б) Uвх = 10В; в) Uвх = 20В. Параметры схемы и транзистора: Еп=20В, Rс=1кОм, U0=5В, β=0.7мА/В2.
4.В схеме МДП-ключа с резистивной нагрузкой (рис. 2) определить выходное напряжение U0вых и U1вых , если U0вх =0В и U1вх=9В. Параметры схемы: Епит=9В, Rс=20кОм. Параметры транзистора: U0=3В, β=650мкА/В2.
5.Покажите, что транзистор VT2 в схеме с динамической нагрузкой (рис. 5) всегда работает на пологом участке выходных вольт-амперных характеристик.
6.Докажите, что выходное напряжение логического нуля для схемы с динамической нагрузкой (рис. 5) определяется соотношением (7).
7.Докажите, что для комплементарного ключа (рис. 7) напряжение переключения Uпер ≈ Eп / 2 . Считать, что транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковые параметры (β1=β2 и Uo1 = Uo2 ). Воспользоваться условием:
Uпер =Uвх =Uвых.