ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ КЛЮЧЕВЫХ СХЕМ

Цель работы: изучение свойств аналоговых ключей на полевых транзисторах

Работа выполняется в системе моделирования MicroCAP.

1. Схемы ключей на полевых транзисторах

Схема ключа на полевом транзисторе с управляющим p – n переходом показана на рис. 7. Сопротивление R1 и диод D1 используются для управления ключом напряжением 15 В. Пусть входной сигнал изменяется в пределах  10 В, а управляющий дискретный сигнал 15 В. Если U_упр = +15 В, то диод VD закрыт. Так как входной ток полевого транзистора практически равен 0, то напряжение на затворе будет равно напряжению на истоке, т.е. U_зи = 0. Следовательно, транзистор будет открыт и U_вых = U_вх. Если U_упр = -15 В, то диод VD открыт, даже в худшем случае, когда входное напряжение равно минимальному значению – 10 В.

Напряжение на затворе транзистора около – 15 В, что на 5 В меньше минимального напряжения на истоке. Транзистор будет надежно закрыт. В этом режиме через резистор R₁ течет ток от источника входного сигнала. Это не мешает нормальной работе схемы, т.к. выходное напряжение ключа равно 0. Величина R₁ должна быть такой, чтобы при открытом транзисторе токи утечки затвора и обратный ток диода не создавали заметного запирающего напряжения транзистор на нем. Величина резистора R₁ может быть достаточно большой, например 1 МОм.

Аналоговые ключи могут быть построены и на МОП – транзисторах с индуцированным каналом. На рис.8. показаны схемы последовательного и параллельного ключа на МОП – транзисторах с индуцированным каналом. Так как МОП – транзисторы с индуцированным каналом надежно заперты при напряжении U_зи = 0, то схема управления ключом упрощается. Для управления ключом достаточно подавать дискретные значения равные U_упр = 15 В. Входное напряжение может быть повышено до 15 В.

Ч тобы охватить возможно больший диапазон входных напряжений как в положительной, так и в отрицательной области, вместо одного МОП – транзистора используют КМОП – схему, состоящую из двух комплементарных МОП – транзисторов, включенных параллельно. Схема такого ключа показана на рис. 9.

В схеме ключа треугольником обозначен цифровой инвертор. Если на вход инвертора поступает + 15 В, то на выходе у него напряжение равно – 15 В, и на оборот. Для того, чтобы перевести ключ в состояние "включено", к затвору n – канального транзистора VТ₁ нужно приложить управляющее напряжение, равное, по меньшей мере, 2U_пор, а к затвору р – канального транзистора VT₂ – такое же напряжение противоположного знака. Таким образом, n – канальный транзистор VT₁ пропускает сигнал от – 15В до + (15 В – U_пор), а р – канальный транзистор VT₂ – от + 15 В до (-15 В +U_пор). При малых входных напряжениях оба транзистора открыты. Сопротивление транзистора зависит от величины входного напряжения, т.к. изменяется напряжение U_зи. Однако, в данной схеме это не существенно. Так если входное напряжение увеличится, то напряжение U_зи n – канального транзистора VT₁ уменьшится, а его сопротивление увеличится. Одновременно напряжение U_зи р – канального транзистора VT₂ увеличится, а его сопротивление уменьшится и компенсирует уменьшение сопротивление транзистора VT₁. При отрицательных входных напряжениях транзисторы VT₁ иVT₂ меняются местами.

Ключ закрывается при управляющем напряжении, равном – 15 В. Полевые транзисторы обладают емкостью между стоком и истоком. Поэтому ключи в закрытом состоянии обладают емкостной проводимостью. Это проявляется в том, что на выходе ключа в закрытом состоянии присутствует входной сигнал, хотя и не большой амплитуды. Наибольшей емкостью обладают МОП транзисторы. Одним из способов уменьшения емкостной проводимости является каскадирование ключей. Для последовательных ключей они включаются последовательно, а параллельные ключи - параллельно.