Лекция № 16.

РАБОТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ

План

1. Введение.

2. Транзисторные ключи на полевом МОП-транзисторе.

3. КМОП-инверторы, БИКМОП-логика.

4. Элементы ТТЛ, ЭСЛ.

5. Выводы.

1. Введение.

Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации аналоговых и цифровых сигналов.

В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющим p-n-переходом или МОП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых схемах и в силовой электронике в настоящее время предпочтенье отдают МОП-транзисторам с индуцированным каналом.

У полевых транзисторных ключей гораздо меньше остаточное напряжение на выходе, чем у ключей на биполярном транзисторе, у которого значение этого напряжения ограничено (при q_нас = 3 остаточное напряжение U_кэ перестаёт уменьшаться). У полевого транзистора, как покажет дальнейший анализ, больше «рычагов» для работы с этим параметром. Для получения малого остаточного напряжения на выходе полевые транзисторы в ключевом режиме так же, как и биполярные, работают на крутом участке стоковых ВАХ.

2. Транзисторные ключи на полевом моп-транзисторе.

В нашей лекции мы будем работать с ключами только на МОП-транзисторах и только с индуцированным каналом. О преимуществах этих транзисторов было немало сказано в лекции 4.

Классификация транзисторных ключей на полевых транзисторах с приповерхностным каналом.

1. МОП-ключ с активной (резисторной) нагрузкой.

2. МОП-ключ с динамической нагрузкой.

3. КМОП-инвертор.

4. БИКМОП-ключи.

Рассмотрим подробно работу каждого из названных ключей.

2.1. МОП-ключ с активной (резисторной) нагрузкой.

На рис.16.1а. показана схема МОП-ключа с активной нагрузкой, а на рис.16.1б ─ стоковая ВАХ транзистора с индуцированным каналом,

а).

б).

Рис.16.1.

В схеме ключа используется МОП-транзистор с индуцированным n-каналом, рабочим режимом которого является режим обогащения (см. стокозатворную ВАХ МОП-транзистора в лекции № 4, рис.4.10). В отличие от ключа на биполярном транзисторе входная цепь МОП-транзистора не нуждается в ограничении входного тока, так как имеет большое сопротивление.

Напряжение отпирания транзистора должно быть заметно больше порогового, и должно соответствовать, по возможности, меньшему остаточному напряжению.

При малом остаточном напряжении ток стока насыщения определяется в основном сопротивлением резистора R_с.

(16.1)

Рабочая точка ключа лежит на квазилинейном участке ВАХ, поэтому остаточное напряжение

(16.2)

При «цепочечной» логике отпирающий сигнал поступает от предыдущего ключа и, если он заперт, то

Формула (16.2) позволяет определить способы уменьшения остаточного напряжения, хотя изменение каждого из элементов формулы приводит к некоторым нежелательным последствиям, например, увеличение удельной крутизны и сопротивления резистора R_с приведёт к снижению степени интеграции интегральной схемы. Уменьшение напряжения приведёт к «затягиванию» формирования переднего фронта импульса тока стока. Но принципиальных ограничений на величину остаточного напряжения у МОП-транзистора нет.

Недостатком схемы ключа с активной нагрузкой является, то, что активный элемент занимает много места на кристалле, кроме того, на нём рассеивается большая мощность. От этих недостатков свободна схема ключа на МОП-транзисторе с динамической нагрузкой.

0. МОП-ключ с динамической нагрузкой

В качестве динамической нагрузки в схеме такого ключа используется МОП-транзистор (VT₂) с таким же типом канала, что и у активного транзистора ─ VT₁ (рис.16.2). На рис.16.3 показана стоковая ВАХ активного транзистора (I_c = f(U_си1).

Чтобы определиться с ВАХ нагрузочного транзистора, обратимся к схеме ключа. В транзисторе VT₂ затвор соединён со стоком, то есть напряжение на затворе U_зи2 = U_си2. Следовательно, Это неравенство означает, что транзистор VT₂ работает на пологом участке ВАХ, для которого справедлива формула (4.14) из лекции № 4.

Рис.16.2

Рис.16.3.

Для удобства анализа приведём эту формулу

Подставим в эту формулу U_зи2 = U_си2, получим

(16.3)

Формула (16.3) показывает, что ВАХ транзистора VT₂ имеет параболическую форму (рис.16.3, I_c2=f(U_cи2)). Положение точки «А» на ВАХ условное; точное её положение определяется пересечением обратных характеристик стоковых p-n-переходов транзисторов VT₁ и VT₂.

Когда активный транзистор (VT₁) открыт рабочая точка (РТ) лежит на пересечении характеристик активного и нагрузочного транзисторов, то есть на квазилинейном участке. При таком малом остаточном напряжении (U_ост1) можно считать, что практически всё напряжение питания (Е_с) приложено к нагрузочному транзистору (U_си2 ≈ Е_с), поэтому формула (16.3) приобретает вид (16.4)

(16.4)

Так как РТ лежит на квазилинейном участке стоковой ВАХ, то для определения остаточного напряжения на активном транзисторе воспользуемся законом Ома

(16.5)

Из формулы (16.5) следует, что для получения малого остаточного напряжения необходимо выполнять соотношение b₂ << b₁, то есть транзисторы VT₁ и VT₂ должны существенно различаться. В лекции № 15 было отмечено, что удельная крутизна «b» определяется геометрией транзистора

Если обеспечить соотношение то остаточное напряжение на выходе активного ключа будет составлять ≤ 100 мВ.