9.5. Ключ на комплементарных транзисторах

Рассмотренные ранее ключи имеют существенный недостаток: в открытом состоянии ключа оба транзистора открыты, выходное напряжение логического нуля имеет не нулевое, а определенное значение, что снижает статическую помехоустойчивость. Ключ в открытом состоянии потребляет энергию. Если бы в открытом состоянии ключевого транзистора нагрузочный транзистор был закрыт, то выходное напряжение стремилось бы к нулю, и ключ не потреблял бы энергии в статических состояниях. Это удается достичь, используя ключи на комплементарных транзисторах (рис. 9.7,а).

Ключ состоит из двух последовательно включенных МДП-транзисторов с каналами n– и p– типа. Транзистор VТ1 является ключевым, его исток соединен с заземленной шиной питания, а сток подсоединяется к стоку нагрузочного транзистора VТ2.

Подложка n–канального транзистора VТ1 заземлена, а p–канального подключена к положительному выводу источника питания U_ип. Затворы обоих транзисторов объединены и являются входом ключа. При этом:

1. Входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором.

2. Управление является противофазным, напряжения на затворах транзисторов равны , .

При нулевом потенциале затворов транзистор VТ1 закрыт, а транзистор VТ2 открыт и работает в линейной области, так как напряжение между затвором и истоком равно U_ип. При этом ток в общей цепи определяется запертым транзистором VТ1 и составляет величину . Напряжение на выходе ключа практически равно U_ип. При подаче на затворы напряжения, близкого к величине U_ип, транзистор VТ2 закрывается, а транзистор VТ1 открывается. Ток в общей цепи по-прежнему остается на уровне I_ост, хотя состояния транзисторов изменились. На выходе формируется уровень напряжения, близкий к потенциалу земли. Уровни выходных напряжений имеют почти экстремальные значения: близкое к нулю U_вых0, близкое к напряжению источника питания U_выхU_ип, а перепад напряжений близок к U_ип.

Важнейшей особенностью комплементарных ключей является то, что они практически не потребляют энергии в обоих состояниях. Эти состояния можно назвать "открытым" или "закрытым" только условно – по отношению к одному из транзисторов. Такие схемы расходуют энергию только при переключении из одного логического состояния в другое (рис. 9.7,б).

Микросхемы на КМДП транзисторах имеют высокое быстродействие, поскольку перезаряд емкости нагрузки как при включении, так и при выключении происходит через открытый транзистор, однако их быстродействие меньше достигнутого биполярными микросхемами. Поэтому необходимо уменьшать емкости переходов, использовать новые технологии. Применение V-образной формы затвора, пространственно замыкающей стоковые области, позволяет увеличить быстродействие по сравнению со стандартной технологией КМДП ИС в 4…5 раз.

Применение сапфировой подложки для изготовления КМДП микросхем позволило значительно уменьшить паразитные емкости переходов и увеличить быстродействие в два‑три раза.

Ключи на комплементарных МДП транзисторах имеют следующие достоинства:

– малая статическая мощность, потребляемая от источника питания;

– высокая помехоустойчивость, обусловленная большим перепадом выходных напряжений;

– широкий диапазон рабочих напряжений (3…15 В), причем для современных микросхем КМДП напряжение питания обычно составляет U_ип= 5 В, что позволяет совмещать КМДП логику с ТТЛ без промежуточных трансляторов;

– широкий диапазон рабочих температур (–55…+125 С);

– высокое входное сопротивление (10¹² Ом);

– простота сопряжения со слаботочными источниками входного напряжения.

Это позволяет применять КМДП микросхемы в устройствах с автономным питанием, в различных бортовых устройствах, автономных устройствах сбора и обработки данных, запоминающих устройствах без разрушения информации.