9.3. Ключ с барьером Шотки

Для повышения быстродействия ключа необходимо уменьшить время рассасывания избыточных зарядов, т.е. транзистор должен работать на границе активного режима и режима насыщения. Для предотвращения насыщения транзистора в ключе используют нелинейную обратную связь, предложенную Б.Н. Кононовым в 1955 году. При микроэлектронном исполнении нелинейная обратная связь наиболее эффективна, если между коллектором и базой включается диод Шотки (рис. 9.4,а).

При отсутствии сигнала на входе схемы транзистор закрыт, закрыт и диод Шотки, выходное напряжение велико (точка 1 на рис. 9.4,6). При подаче на вход положительного сигнала транзистор открывается, и рабочая точка по нагрузочной прямой начинает перемещается в точку 2. Ток коллектора растет, а потенциал коллектора уменьшается, и в момент времени t₁ открывается диод Шотки. После этого входной ток перераспределяется между базой транзистора и диодной цепью так, что рабочая точка перемещается в точку О, в которой I_к = I_д+I_н (рис. 9.4,в). Точка О располагается в непосредственной близости к границе насыщения в области линейного участка характеристик. При подаче запирающего сигнала на вход схемы начинается спад коллекторного тока. Задержка начала нарастания коллекторного напряжения (время t₃) обусловлена временем, в течение которого ток диода уменьшается от начального значения I_д до нуля, и она составляет менее одной наносекунды. Спад коллекторного тока и нарастание коллекторного напряжения происходит как у обычного транзисторного ключа.

Наряду с высоким быстродействием транзисторные ключи с нелинейной обратной связью имеют следующие недостатки:

1. Относительно большее падение напряжения на открытом ключе (около 0,5 В).

2. Меньшая температурная стабильность.

3. Худшая помехоустойчивость, что объясняется более высоким входным сопротивлением в открытом состоянии.

9.4. Ключи на мдп транзисторах

МДП-транзисторы применяют при построении цифровых микросхем. Это обусловлено простотой их конструкции, малыми размерами и низкой потребляемой мощностью. Цифровые МДП микросхемы состоят только из МДП-транзисторов, функции пассивных элементов выполняют сами транзисторы. МДП микросхемы представляют собой схемы с непосредственными связями, поэтому в таких схемах отсутствуют конденсаторы связи. По принципу действия цифровые МДП микросхемы можно подразделить на статические и динамические. Логические микросхемы статического типа выполняются как на МДП-транзисторах с каналами одного типа проводимости, так и на комплементарных парах. Так называют пару транзисторов, имеющих примерно одинаковые значения основных параметров, но с полупроводниковыми структурами противоположного типа. В биполярной технологии – это транзисторы n–p–n и p–n–p, в полевой технологии ‑ транзисторы с n– и p–каналами. Такие МДП микросхемы называют комплементарными.

Базовым элементом логических МДП микросхем является инвентор (ключ). В качестве нагрузочного элемента в ключевой схеме используется линейный резистор или МДП-транзистор в качестве нелинейного резистора. Использование в качестве нагрузки нормально открытых МДП-транзисторов позволяет отказаться от применения высокоомных диффузионных резисторов, занимающих большую площадь на подложке. На рис. 9.5 приведены схемы инверторов на МДП-транзисторах с каналом p–типа.

Транзистор VT1, исток которого соединен с заземленной шиной питания, является ключевым (активным), а транзистор VТ2 ‑ нагрузочным, выполняющим роль резистора. Затвор нагрузочного транзистора подключается к источнику напряжения смещения U_см (рис. 9.5,а), имеющему более высокий по абсолютному значению уровень напряжения, чем напряжение источника питания U_ип, или непосредственно к источнику питания U_ип (рис. 9.5,б). В ключе с источником смещения, нагрузочный транзистор VТ2 представляет собой квазилинейную нагрузку. Напряжение источника смещения такое, что он работает только в крутой области ВАХ. В ключе с одним источником питания нагрузочный транзистор используется в качестве нелинейной нагрузки и транзистор работает в пологой области ВАХ, где

. (9.17)

Ток, протекающий через нагрузочный транзистор, определяется из выражения

, (9.18)

где S_к, S_н – удельная крутизна ключевого и нагрузочного транзисторов.

На рис. 9.5,в приведены ВАХ ключа на МДП-транзисторе с транзистором в цепи нагрузки. Точка пересечения двух любых кривых дает совместное решение системы уравнений, описывающих состояние ключевого и нагрузочного транзисторов. А так как ток, протекающий в последовательно включенной цепи транзисторов одинаков, то работа транзистора в пологой области описывается следующим выражением

. (9.19)

В крутой области характеристик ключевого транзистора это уравнение имеет вид:

. (9.20)

Если напряжения U_вых и U_вх – U_{зи пор} пронормировать к разности U_ип – U_зи пор, то получим

. (9.21)

Выражение (9.21) позволяет получить выражение для величины остаточного напряжения на транзисторе

. (9.22)

Для создания БИС и СБИС используют МДП-транзисторы с n–каналами. А ключи строят с токостабилизирующей нагрузкой (Д–нагрузкой) (рис. 9.6).

В качестве нагрузки применяют МДП-транзистор VT2 со встроенным каналом n–типа, у которого затвор соединен с выходом схемы, а не с источником питания. Нагрузочный транзистор VТ2 всегда открыт, так как . При транзистор VТ1 закрыт, и напряжение на выходе практиче-

с ки равно +U_ип. При оба транзистора открыты, на выходе имеется минимальное напряжение. Ключи с Д–нагрузкой увеличивают быстро-действие и повышают помехо-устойчивость по сравнению с МДП-ключами с нагрузочными индуци-рованными МДП-транзисторами. Низ-кая скорость переключения зависит от величины паразитной емкости, которая перезаряжается в течение переходного процесса. Формирование фронтов на выходе ключа определяется временем заряда и разряда эквивалентной емкости. Емкость заряжается через нагрузочный транзистор, а разряжается через VТ1. Сопротивление нагрузочного транзистора VТ2 почти в 10…20 раз превышает сопротивление открытого ключевого транзистора. Поэтому время включения (определяется сопротивлением VТ1) намного меньше времени выключения, определяемого нагрузочным транзистором (рис. 9.6). В связи с этим быстродействие ключа ограничено большим временем выключения, в течении которого C_н заряжается до выходного напряжения током, протекающим через нагрузочный транзистор. Длительность фронта выключения определяется из решения системы уравнений для токов заряда емкости и нагрузочного транзистора

(9.23)

Приравняв правые части уравнений и выполнив интегрирование, получим выражения для времени выключения

. (9.24)

Для уменьшения t_выкл необходимо увеличивать удельную крутизну нагрузочного транзистора. Быстродействие ключа значительно возрастает при работе нагрузочного транзистора в крутой области ВАХ, так как высокое напряжение на затворе предотвращает закрывание нагрузочного транзистора во время переходного процесса. Ключ реализует логическую функцию инверсии НЕ.