Методичка по лабораторным / LAB4OT

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.4.
АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ И КОММУТАТОРЫ НА МОП-ТРАНЗИСТОРАХ

Цель работы состоит в исследовании характеристик переключа-
телей аналоговых сигналов, построенных на полевых транзисторах с
изолированным затвором, называемых также МОП-транзисторами, то
есть транзисторами со структурой металл-окисел-полупроводник.
1. ВВЕДЕНИЕ
В работе исследуются интегральные аналоговые коммутаторы
серии К190. Микросхемы К1КТ902 представлют собой наборы р-ка-
нальных МОП-транзисторов с индуцированным каналом, рассчитанных
на использование в качестве аналоговых ключей. Управление ключами
осуществляется от внешней цепи.
1.1. Схема соединения одиночного ключа с источником сигнала
и нагрузкой показана на рис.1a. Управляющее ключом напряжение
Vупр подается на затвор, напряжение подложки, как правило, фикси-
ровано. Простейшая схема замещения для статического режима предс-
тавлена на рис.1б. На этой схеме положение ключа S отражает сос-
тояние транзисторов: при открытом транзисторе ключ замкнут и
подключает нагрузку к источнику сигнала. При запертом транзисторе
ключ разомкнут, нагрузка отключена от источника сигнала. Качество
ключа в открытом состоянии характеризуется его сопротивлением
Rосн.отк. Существенно, что схема замещения МОП-ключа, в отличие
от ключей на биполярных транзисторах, не содержит в последова-
тельной цепи источнике остаточного напряжения. Следовательно,
напряжение на открытом ключе при нулевом токе через него равно
нулю. Сопротивление МОП-ключа в закрытом состоянии Rзакр очень
велико и может быть опущено. Токи Iут.вх и Iут.вых представляют
токи обратносмещенных переходов сток-подложка и исток-подложка.
Эти токи малы - порядка 10 5-8 0, 10 5-9  0А и менее, они могут оказать
заметное влияние лишь в случае высокоомных сопротивлений нагрузки
Rн и источника сигнала Rc .
Если токами утечки можно пренебречь, то погрешность передачи
ключа в открытом состоянии определяется только падением напряже-
ния на сопротивлении Rсн.отк. от тока нагрузки:
Rси отк
Vси = V = Vвх-Vвых = Vвх ----------
Rси отк+Rн

- 2 -
Величина сопротивления Rси.отк. зависит от напряжений зат-
вор-исток Vзи и и подложка-исток Vип. В нормальном режиме работы
напряжение на ключе Vси должно быть невелико по сравнению с нап-
ряжением на нагрузке. Для количественной характеристики удобно
1
рассмотреть величину проводимости g 4си 0= -----.При малых значениях
Rси
напряжения сток-исток Vси можно приближенно считать, что g 4си  0за-
висит от напряжения затвор-исток линейно. Увеличение напряжения
подложка-исток Vпи в сторону положительных значений повышает по-
роговое напряжение Vзи пор и тем самым смещает характеристику
влево, то есть приводит к уменьшению проводимости ключа при неиз-
менном напряжении на затворе (рис.2). На рис.2 показан также ха-
рактер изменения сопротивления сток-исток. Существенно, что при
малых напряжениях Vзи-Vзи пор сопротивление Rси резко возраста-
ет, и, следовательно, так же резко ухудшается качество ключа в
открытом состоянии.
Отрицательное смещение подложки относительно истока, равно
как и относительно стока, недопустимо, так как при этом отпирают-
ся переходы сток-подложка и исток-подложка. Величина тока через
прямосмещенный переход ограничена в этом случае только внутренним
сопротивлением источника сигнала Rс, и если оно мало, то микрос-
хема может выйти из строя. Применительно к режиму работы ключа
это означает, что напряжение сигнала должно быть неположительным
относительно подложки, которая вегда должна быть под наиболее по-
ложительным потенциалом по отношению ко всем точкам цепи.
1.2. Топология диффузионных областей стока и истока ключа на
подложке одинакова, то есть транзистор симметричен. Поэтому наз-
вание его электродов - "исток" и "сток" - условны. Истоком р-ка-
нального транзистора в каждый момент времени оказывается тот из
электродов, который находится под более положительным потенциалом.
В рабочем режиме открытое состояние ключа задается постоян-
ным управляющим напряжением на затворе, отрицательным относитель-
но общей шины. На подложку подается постоянное положительное нап-
ряжение, а входное и, следовательно, выходное напряжения меняется
в зависимости от ЭДС сигнала lc, принимая в общем случае как по-
ложительные, так и отрицательные значения. При изменении знака
сигнала сток и исток меняются ролями, и напряжение затвор-исток,
определяющее сопротивление открытого транзистора, должно отсчиты-

- 3 -
ваться относительно более положительного из них:
Vз - Vвых , Vвх < 0
Vзи =
Vз - Vвх , Vвх > 0
Пренебрегая разницей между Vвх и Vвых можно считать, что
напряжение затвор-исток всегда определяется как Vз-Vвх . При из-
менении напряжения сигнала изменяется и напряжение подложка-исток
Vпи = Vп - Vвых
где Vвх берется с учетом его знака.
Следовательно, при изменении напряжения сигнала в рабочем
диапазоне его значений меняется сопротивление открытого ключа, а
с ним и погрешность передачи.
Таким образом, допустимый диапазон значений входного сигнала
ограничен (рис.3):
- в области положительных значений - напряжением подложки;
- в области отрицательных значений - возрастанием погрешнос-
ти передачи, вызванной увеличением сопротивления Rси.отк).
1.3. При работе ключей в режиме периодической коммутации
сигналов минимальное значение входного напряжения Vвх.мин опреде-
ляется влиянием так называемых коммутационных выбросов. Появление
коммутационных выбросов на нагрузке обусловлено "пролезанием" уп-
равляющего напряжения затвора в выходную цепь через паразитную
емкость затвор-исток. На рис.4a показана цепь ключа при нулевой
ЭДС сигнала. На схеме обозначены паразитные емкости затвор-исток
Сзи и выходная Свых, а также емкость нагрузки Си. Рис.4б поясняет
процесс возникновения выбросов. Амплитуда, форма и площадь поло-
жительного и отрицательного выбросов неодинаковы - во-первых,
из-за различной скорости изменения напряжения на затворе при его
нарастании и спаде, во-вторых, из-за различной степени шунтирова-
ния нагрузки цепью ключ-источник сигнала при отпирании и запира-
нии ключа. Различие в площади положительного и отрицательного
выбросов приводит при периодической коммутации к появлению на
нагрузке постоянной составляющей, то есть служит источником до-
полнительной погрешности.
При достаточно большом сопротивлении нагрузки ее влияние на
величину выбросов невелико из-за шунтирующего действия емкости
Сн+Свых. Можно считать, что величина выбросов в этом случае опре-
деляется передачей емкостного делителя
.
- 4 -
Сзи
-----------------------
Сзи + Свых + Сн
Амплитуда выбросов увеличивается также с ростом сопротивления ис-
точника сигнала Rc, достигая наибольшего значения при прочих рав-
ных условиях в случае холостого хода на входе ключа (на этом ре-
жиме цепь-ключ - источник сигнала вообще не шунтирует нагрузку).

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Для измерения сопротивления открытого ключа использует-
ся схема, показанная на рис.5. В этой схеме исток подключен к об-
щей шине, поэтому напряжения затвора и подложки, измеренные отно-
сительно общей шины, соответствуют напряжениям Vзи и Vпи. Неиз-
менная величина тока стока Ic=I мА задается генератором тока,
построенном на биполярном транзисторе. Напряжение Vси измеряется
на стоке, величина Rси отк при заданных Vзи и Vпи находится по
соотношению Vси
Rси отк = ----
Iс
2.2. Статическая погрешность передачи ключа в открытом сос-
тоянии измеряется на схеме рис.6 при фиксированном напряжении
затвора для различных значений входного напряжения. Эксперимен-
тальная величина относительной погрешности передачи рассчитывает-
ся по соотношению
V Vвых - Vвх
--- = ----------- .100 В
V эксп Vвх
Для определения расчетного значения относительной погрешнос-
ти при заданной величине сигнала необходимо: a) по величине сиг-
нала определить напряжения затвор-исток и подложка-исток
(см.п.1.2); б) используя найденные значения напряжений и резуль-
таты измерений сопротивления Rси отк по п.4.1, найти величину
сопротивления ключа при данной величине сигнала; в) определить
величину относительной погрешности как
V Rси отк
--- = --------------
V расч Rис отк + Rн
Пусть, например, напряжение Vз = -15В, подложка подключена к
+5В, а входное напряжение Vвх = -2В. Тогда находим:
.
- 5 -
Vзи = V з - Vвх = -15 - (-2) = +13В
Vпи = Vп - Vвх = 5 - (-2) = 7В
По данным, полученным в п.4.1, следует найти значение сопро-
тивления ключа при Vзи = -13 В, Vпи = 7 В и рассчитать погреш-
ность ключа серии К190, управляемых от логической микросхемы се-
рии К172: К1ЛБ721. Построенный на базе этого элемента несиммет-
ричный триггер с парафазным выходом позволяет попеременно отпи-
рать транзисторы коммутатора. ЭДС первого источника - +5В или +50
мВ, второго - минус 5 В или минус 5о мВ, внутреннее сопротивление
во всех случаях равно 100 Ом.
В схеме рис.7 между выходами триггера и затворами ключей мо-
гут быть включены инверторы.Назначение этих инверторов объясняет-
ся следующим. Логические схемы на р-канальных МОП-транзисторах, и
в частности, микросхемы серии К172, строят без использования наг-
рузочных резисторов, заменяя последние транзисторами же (в актив-
ном либо пассивном включении [2]). На рис.8 показана схема выход-
ной цепи элемента К1ЛБ721. Как видно из рисунка, при низком по-
тенциале в точке "а", когда на выходе элемента высокий уровень,
транзистор V2 и V4 заперты. При этом напряжение на выходе элемен-
та отличается от Vип не менее, чем на величину, равную сумме по-
роговых напряжений: Vзи пор,1 + Vзи пор 3 , и его уровень может
оказаться недостаточным для полного отпирания ключа, особенно
прои отрицательном коммутируемом напряжении. По этой причине ин-
верторы или логические элементы, работающие непосредственно на
затвор ключа, выполняют с резистивной нагрузкой, что позволяет
получить отпирающее напряжение на затворе, практически равное
напряжению питания. В работе в качестве инверторов используются
МОП-транзисторы из состава МС К1КТ901 с сопротивлением нагрузи в
цепи стока Rc=100кОм.
3. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
3.1. На этапе подготовки: ознакомиться с содержанием и мето-
дикой выполнения работы, с параметрами микросхем серий К190 и
К172.
3.2. При выполнении работы в лаборатории: снять эксперимен-
тальную зависимость сопротивления ключа от напряжений затвор-ис-
ток и подложка-исток; расчетным и экспериментальным путем найти
статические погрешности передачи ключа; исследовать работу двух-
канального коммутатора в динамическом режиме.
.
- 6 -
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

4.1. Используя схему с генератором тока в цепи стока рис.5,
снять зависимость Rси отк = f(з) для трех значений напряжения
подложки:0,+5,+10 В.Напряжение Vз измерять от минус 5 В до минус
15 В через 2 В. Результат оформить в виде графиков Rси отк =
f(/Vз/) для трех значений параметра Vп.
4.2. Рассчитать статическую погрешность передачи входных
напряжений +5В и минус 5 В при постоянных напряжениях подложки и
затвор относительно общей шины: Vз = -15 В, Vп = +5В. Сопротивле-
ние нагрузки Rн = 5,1 кОм.
4.3. Используя схему рис.6 снять зависимость Vвых = f(Vвх)
при постоянных Vз = -15 В, Vп = +5 В. Входное напряжение изменять
от минус 5 В до +5 В через 2В. Построить экспериментальную зави-
симость статической погрешности от выходного напряжения, в край-
них точках нанести также расчетные значения.
4.4. Подготовить к работе схему двухканального коммутатора.
Подключить ко входу несимметричного триггера генератор синусои-
дальных колебаний, и увелчивая его напряжение от нуля, установить
на выходе триггера скважность импульсов, равную 2. Частота сигна-
ла 50-100 кГц. На аналоговые входы ключей подать напряжения +5В
минус 5В. Подключив затворы ключей сначала к выходам триггера, а
затем к выходам инвертора, сравнить для обоих режимов напряжения
на нагрузке, а также размах напряжений на затворах ключей. зари-
совать осциллограммы с соблюдением масштаба указанием нулевой ли-
нии и объяснить их, используя результаты, полученные в
п.п.4.1...4.3.
4.5. Подать на входы ключей напряжения +50 мВ. Исследовать
переходные процессы на нагрузке, сопоставив величину выбросов и
полезного сигнала. Зарисовать осциллограммы переходных процессов.
Отключить входы ключей к общей шине, измерить и зарисовать выбро-
сы при коротком замыкании на входах. Сопоставить и объяснить ре-
зультаты.
5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
На этапе подготовки: Схемы экспериментов, расчетные соотно-
шения, бланки графиков.
После выполнения работы: результаты экспериментов в виде
таблиц, графиков, осциллограмм, выводы по работе.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1. Как смещены переходы сток-подложка и исток-подложка

- 7 -
МОП-ключа при его нормальной работе в открытом и закрытом состоя-
нии?
6.2. Почему статическая погрешность передачи ключа неодина-
кова при различных напряжениях сигнала, хотя напряжения на затво-
ре и подложке и сопротивление неизменны?
6.3. На вход ключа, исследованного в п.4.2 подано синусои-
дальное напряжение с амплитудой 4,5 В. Будут ли иметь место нели-
нейные искажения формы выходного сигнала?
6.4. В цепь подложки ключа включен резистор с сопротивлением
10 кОм. Будет ли этот резистор влиять на нормальную работу ключа?
6.5. Может ли резистор в цепи подложки (см.п.6.4) защитить
микросхему от выхода из строя при случайном отпирании входным
сигналом перехода сток-подложки?
6.6. Объясните различие в режимах работы коммутатора (п.4.4)
при управлении его ключами непосредственно с выходов триггера и
через дополнительные инверторы.
6.7. Объясните различие в величине положительных и отрица-
тельных выбросов на входе коммутатора (п.4.5).
6.8. Объясните различие в величине положительных выбросов на
выходе коммутатора при различных режимах на его входах.
УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
1. До начала работы все ее участники должны на месте тща-
тельно ознакомиться со схемой, приборами и макетами, усвоить рас-
положение элементов и цепей схемы.
П. Сборка схемы и ее изменения должны производиться без нап-
ряжения при отключенных рубильниках и выключателях на лаборатор-
ных макетах.
III. При временном прекращении подачи напряжения в схему -
схема и все приборы должны быть немедленно отключены.

ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 19095-73. Транзисторы полевые. Электрические пара-
метры.
2. Интегральные микросхемы на МДП-приборах. Пер.с англ.под
ред.А.Н.Кармазинского.М.,"Mир",1975, гл.2.
3. Коммутаторы аналоговых сигналов на полупроводниковых эле-
ментах. Под ред.Я.Е.Беленького.M.,"Энергия",1976, п.п.3.4,4.4.
4. Справочник по интегральным микросхемам. Под
общ.ред.В.В.Тарабрина, M.,"энергия", 1977.