9.5 Транзисторные ключи на полевых транзисторах

Транзисторные ключи на полевых транзисторах строят аналогично ключам на биполярных транзисторах. На рис 9.15 приведена схема простейшего ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и временные диаграммы его работы. Емкость нагрузки С_Н моделирует емкость устройств подключенных к транзисторному ключу.

Рис. 9.15. Схема ключа на полевом транзисторе и временные диаграммы его работы

При нулевом входном сигнале транзистор VT заперт и при R_н>>R_c, U_cu=Е_с. При низкоомной нагрузке U_cи = ER_H/(R_c + R_H). Если напряжение U_ВХ больше порогового U_{ЗИ ПОР}, то он открывается, и напряжение сток-исток уменьшается. Напряжение на ключе в его включенном состоянии U_ВКЛ зависит от сопротивления стока R_C, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. В первом приближении ,

где ,

где К – удельная крутизна транзистора (типовое значение К60мкА/В²). Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением R_C, емкостью С_H и частотными свойствами транзистора.

При использовании интегральной технологии технологически удобнее вместо нагрузочного сопротивления R_C использовать нагрузочный МДП-транзистор (динамическая нагрузка). Вариант такой схемы представлен на рис. 9.16.

Рис.9.16. Схема ключа с динамической нагрузкой

Транзисторы конструируют таким образом, чтобы удельная крутизна транзистора VT2 была намного меньше, чем удельная крутизна транзистора VT1. Это обеспечивает реализацию надежного ключевого режима. При U_ВХ< U_ЗИ.ПОР1 транзистор VT1 закрыт и через оба транзистора течет очень малый ток (не более 1нА). При этом напряжении U_CИ1, близко к напряжению E_C, а напряжение U_CИ2 близко к нулю, что обеспечивается технологическими параметрами транзисторов. При U_вх>U_{зи пор1.} Транзистор VT1 открыт и напряжение U_CИ1, близко к нулю, а напряжение U_CИ2 близко к Е_С.

Широкое распространение получили схемы ключей на комплиментарных МДП-транзисторах (КМОП ключ) схема которого приведена на рис. 9.17.

Рис.9.17. Схема комплиментарного МДП-ключа

В этой схеме использованы дополняющие друг друга (комплиментарные) транзисторы: VT1 – с каналом n-типа, и VT2 – с каналом p-типа. Пороговые напряжения обоих транзисторов U_{зи пор1} и U_{зи пор2} положительные.

При U_вх=0, транзистор VT1 закрыт, а VT2 – открыт. В этом случае U_CИ1Е_С, а U_CИ2 0. Если U_вх>U_{зи пор1}, то транзистор VT1 открыт. Если же при этом обеспечить выполнение условия U_вх >Е_с–U_{зи пор2}, тогда транзистор VT2 будет закрыт. При этом U_CИ10, а U_CИ2 Е_С.

Если обеспечить выполнены условия Е_с<U_{зи пор1}+U_{зи пор2}, то при изменении входного сигнала оба транзистора одновременно не включаются.

Среди основных достоинств комплиментарного ключа можно отметить следующие:

• малое потребление электроэнергии, поскольку один из транзисторов всегда закрыт;

• высокая помехоустойчивость, поскольку разница между напряжением открытого и закрытого ключа велика и приближается к Е_С.

• повышенное быстродействие, поскольку заряд и разряд емкости С_Н осуществляется через открытые транзисторы, причем при увеличении напряжения питания ее быстродействие увеличивается;

• хорошая технологическая отработанность.