2.1. Переключатели тока на биполярных транзисторах

С развитием интегральной схемотехники большое распространение получили переключатели тока (ПТ), основу которых составляет схема дифференциального каскада (ДК) (рис. 1.11).

В отличие от ключей в ПТ происходит подключение генератора тока, установленного в цепи эмиттеров транзисторов, к одной из коллекторных цепей.

П Т используется как базовый логический элемент эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). В схеме транзисторы VT1 и VT2 работают без насыщения в режиме большого сигнала, и открытым является только один из транзисторов. Ток, создаваемый источником питания Е_П2 и равный , проходит только через одно управляющее плечо схемы в зависимости от полярности входного управляющего сигнала U_ВХ.

При напряжении оба транзистора работают в активном режиме: , где и ; (при условии, что: и ). Данный режим имеет место при переключениях, носит кратковременный характер и определяет скорость переключения схемы, то есть её быстродействие.

При напряжении растут , и уменьшаются . Результатом увеличения является открывание транзистора VT1 и запирание транзистора VT2. Ток I_Э полностью течёт через VT1, и значения выходных напряжений будут равны: .

C уменьшением , VT1 закрывается за счёт протекающего тока через резистор R_Э и создаваемым на нём падении напряжения ; VT2 открывается напряжением источника и , а . Таким образом, на выходах транзисторов VT1 или VT2 будет логический перепад напряжений равный при . Обычно для симметрии логического перепада напряжения величину напряжения выбирают равной .

Считая , определим размах изменения входного напряжения при запирании и отпирании транзисторов VT1 или VT2:

;

.

Подставим в U_ВХ и получим: .

С ростом уменьшается , и тогда, взяв их абсо-лютные величины, получим: .

Для изменения выходного напряжения при работе транзистора в активном режиме требуемые изменения тока эмиттера составляют: . Этим изменениям тока соответствуют изменения напряжения: .

Следовательно, характерными особенностями ПТ являются:

а) работа в активном режиме с малыми входными напряжениями;

б) постоянные времени определяются: _ а не _^_ так как транзисторы работают по схеме включения с ОБ;

в) малые перепады выходного напряжения обеспечивают высокое быстродействие ПТ, так как при этих перепадах величина сопротивления R_К будет небольшой, и поэтому перезарядка паразитных ёмкостей, шунтирующих коллекторные переходы транзисторов ПТ (C_Н, C_М и т. д.), будет протекать быстрее.

Для улучшения работы схемы ПТ к коллекторам VT1, VT2 добавляют эмиттерные повторители, и получается базовый элемент эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ).

Глава 3. Ключи на полевых транзисторах

Наиболее часто в ключевых устройствах на интегральных микросхемах используются МДП-транзисторы с индуцированным каналом, которые имеют ряд особенностей.

1. Большое входное сопротивление по постоянному току (R_ВХ^10¹⁵ Ом), что обеспечивает возможность построения ключевых схем с большой нагрузочной способностью и с малой потребляемой мощностью от источника входного сигнала.

2. Использование транзисторов с различными каналами позволяет строить переключающие схемы с малым потреблением энергии от источника питания. В таких схемах входной ток протекает только в режимах переключений и определяется величиной входной (динамической) ёмкости схемы состоящей из паразитных ёмкостей.

3. Меньшая площадь на поверхности подложки, определяемая технологией их изготовления, повышает степень интеграции больших интегральных схем (БИС).

4. Отсутствие эффекта накопления носителей, так как в переносе заряда участвуют носители одного типа электропроводности.

5. Хорошее обеспечение режима отсечки в ключах, так как имеет малое остаточное падение напряжения.

К недостаткам схем на МДП-транзисторах следует отнести:

• большое выходное сопротивление (R_C=5-10 кОм);

• невысокое быстродействие (определяемое R_C);

• большое остаточное выходное напряжение , которое уменьшается с ростом R_С.

Различают следующие схемы ключей на МДП-транзисторах:

а) с линейной нагрузкой;

б) с нелинейной (квазилинейной, с токостабилизирующими комплементарными (КМДП) транзисторами). Применение нелинейной (динамической) нагрузки позволяет уменьшить величину остаточного напряжения открытого ключа за счёт уменьшения выходного сопротивления, но при этом ухудшается температурная стабильность работы схемы;

в) на комплементарных транзисторах.

Ключ на МДП-транзисторах с индуцированными каналами одного типа электропроводности (n-канал) изображен на рис. 1.12.

Транзистор VT1 является усилительным, или управляющим, транзистор VT2 – нагрузочный, исполняет роль квазилинейного (почти линейного) сопротивления.

В отсутствие входного сигнала, транзистор VT1 будет закрыт, напряжение на его затворе , поэтому транзистор VT2 всегда открыт и работает в пологой области своих выходных характеристик. При закрытом транзисторе VT1 выходное напряжение схемы зависит от величины напряжения и равно , и которое также можно задавать, и от внешнего источника смещения . Если выполняется условие , то транзистор VT2 работает в крутой области характеристик с почти линейной токовой зависимостью, то есть выполняет роль к вазилинейной нагрузки, уменьшая переходные процессы в схеме.

При подаче входного сигнала транзистор VT1 открывается, схема переключается, и . При открытых транзисторах VT1 и VT2 обеспечение низкого уровня U_ВЫХ достигается разными требованиями к ним по крутизне S (внутренним сопротивлениям). Так, для низкого U_ВЫХ управляющий транзистор VT1 должен иметь большее значение крутизны S (меньшее внутреннее сопротивление), чем нагрузочный транзистор VT2. Уровень входного отпирающего напряжения и помехоустойчивость ключа будет определяться пороговым напряжением U_ПОР транзистора VT1, составляющего несколько вольт.

Динамические свойства схемы будут определяться временем пролёта t_ПР носителей заряда вдоль канала и длительностью перезарядки t_С паразитных ёмкостей МДП-транзисторов (C_ЗИ, C_ЗС, C_СИ, C_МпФ, С_Н). Обычно t_ПР<<t_С (нс), так как длина канала мала (5-10 мк), и можно считать, что быстродействие схемы зависит от производной тока или от крутизны переходной характеристики (от перезарядки выходной ёмкости C_СИ, ).

Фронты переключения для схемы с ОИ определяются выражениями: ; ,

где _ВХ=С_ВХR_ВХ – постоянная времени входной цепи;

С_ВХ=С_ЗИ+С_ЗС(1+K_U)+С_М – входная ёмкость схемы;

K_US^.R_C – коэффициент усиления схемы по напряжению;

_ВЫХС_СИ(R_i||R_С)С_СИ^.R_С – постоянная времени выходной цепи;

Ri – дифференциальное внутреннее сопротивление (сопротивление канала) полевого транзистора (50-100 кОм).

Поэтому для уменьшения времён переходных процессов следует выбирать транзисторы с меньшими паразитными ёмкостями или применять различные методы компенсации ёмкости С_ЗС.

Недостатком схемы является низкое быстродействие, так как перезарядка конденсатора C_Н осуществляется через транзистор VT2, обладающий достаточно большим постоянным сопротивлением и, следовательно, влияющим на скорость заряда (быстродействие). Кроме того, разные значения выходных сопротивлений транзисторов VT1 и VT2 при равенстве их параметров (часто имеет место на практике) влияют на длительности фронтов при включении и выключении схемы. Для устранения этой несимметрии применяются более сложные схемы.

На ключах с МДП-транзисторами реализуются интегральные логические элементы (ИЛЭ), которые более просты и надёжны, чем ИЛЭ на биполярных транзисторах.