Ключовий режим МДН-транзисторів

Польовий транзистор, так само як і БТ, виконує функцію безконтактного вимикача-вмикача в послідовному колі з резистором R_D і відносно потужним джерелом живлення E_D (рис. 5.9).

МДН-транзистори мають малий опір у ввімкненому стані (в режимі насичення) та великий опір у вимкненому (в режимі відсікання), а тому відповідають вимогам до ключових елементів. Значною перевагою таких транзисторів з індукованим каналом є те, що поки на вході діє напруга менша за порогову, струм стоку I_D = 0.

Це повністю усуває проблему забезпечення надійного (завадостійкого) режиму відсікання без додаткового джерела зміщення, яке необхідне під час використання БТ або електровакуумних ламп. Тому МДН-транзистори знаходять широке використання в імпульсних та цифрових пристроях.

Виділяють три види ключів на таких транзисторах: з резистивним навантаженням (рис. 5.9, а), з динамічним навантаженням (рис. 5.11, а) та комплементарні ключі (рис. 5.11, б).

Ключ з резистивним навантаженням

Схему такого ключа зі спільним витоком показано на рис.( 5.9, а). Затвор служить входом ключа, а стік – виходом. Як уже зазначалося, у цифровій техніці високий рівень напруги (струму) позначають через 1, а низький – через 0 (рівні логічної одиниці і логічного нуля). За відсутності вхідного (керувального) сигналу (U _GS = 0), транзистор закритий, потенціал на виході U _DS » E_D. Закритий МДН-транзистор тим ближчий до ідеально вимкнутого ключа, чим менший залишковий струм I_DSX проходить через канал і резистор R_D. Він дорівнює зворотному струму стоковог р-п‑переходу і становить 10-⁹…10^{-10 A}. Тому спадом напруги від залишкового струму на резисторі R_D можна знехтувати і вважати, що напруга на закритому МДН-транзисторі дорівнює напрузі джерела живлення (див. рис. 5.9, б, 5.10, в). Статичний стан закритого ключа (режим відсікання) графічно зображено точкою А ( рис. 5.10, б).

Якщо на вхід поступає інформаційний сигнал, амплітуда якого перевищує рівень порогової напруги U _GS > U_GST (рис. 5.10, а), то транзистор відкривається, починає проходити струм стоку I_D. Робоча точка зміщується по лінії навантаження вверх залежно від амплітуди сигналу. В імпульсних і цифрових схемах у статичному режимі ключі знаходяться у двох станах: відсікання та насичення. Тому амплітуда керувального сигналу повинна бути такою, щоб робоча точка змістилася в точку В (див. рис. 5.9, б). Це – режим насичення. Відкритий МДН-транзистор тим ближчий до ідеально замкнутого ключа, чим менший спад напруги на ньому – залишкової напруги U_DS_зал. При цьому струм стоку , який проходить через відкритий транзистор, так само, як і в ключі на БТ, задається зовнішнім колом: резистором навантаження R_D та джерелом E_D:

= ( E_D - U_DS_зал)/ R_D E_D/ R_D_.

Нахил вихідних характеристик МДН-транзистора на крутій ділянці, коли напруги на затворі великі, залежить від опору каналу. Зауважимо, що чим більше значення напруги на затворі U_GS, тим крутіша початкова ділянка вихідної ВАХ, менший опір каналу і менша залишкова напруга U_DS_зал. Типові значення опору каналу не менші за 1 Ом, а у потужних транзисторів – десяті частки ома. Залишкова напруга має значення 100 мВ і менше. Треба звернути увагу на те, що залишкова напруга призводить до значної втрати потужності (через транзистор протікає максимальний струм стоку). Крім того, у цифрових пристроях використовують безпосередній зв’язок між ключами, а тому необхідно, щоб залишкова напруга була меншою від порогової напруги наступного ключа. Для зменшення U_DS_зал збільшують навантаження в колі стоку R_D. Тоді лінія навантаження опускається вниз (точка С), залишкова напруга зменшується: U^C_DS_зал< U^B_DS_зал. Але це істотно впливає на швидкодію схеми розглядається нижче ).

Швидкодію ключів визначають розрізнювальним часом t, який розраховують за тривалістю вмикання t_on і вимикання t_off.

Проаналізуємо перехідні процеси в ключі. Тут ураховують два фактори, що обумовлюють інерційність процесів ввімкнення та вимикання ключа – перезарядження ємності затвору із сталою часу t_S та перезарядження міжелектродних і паразитних ємностей: C₀ = C'_GS + C_DS + C_м , де C'_GS – ємність затвор – витік ПТ, який використовується в навантаженні (в наступному ключі); С_м – паразитна ємність монтажу.

Розглянемо тривалість перехідних процесів у МДН-ключі з резистивно-ємнісним навантаженням. У початковому стані ключ вимкнутий, транзистор знаходиться в режимі відсікання. Ємність C₀ заряджена до напруги джерела живлення E_D (рис. 5.9, б, точка А). Після подачі прямокутного імпульсу амплітудою U_GS₄ (рис. 5.10, а) протягом часу затримки ввімкнення t_d₍_on₎ формується новий (провідний) стан каналу. Цей процес визначається переважно перезарядженням ємності затвора із сталою часу t_S (враховується поступове змінювання електричного поля від витоку до стоку). У загальному випадку затримка t_d₍_on₎ дуже мала.

Після того, як сформувався провідний стан каналу із затримкою ввімкнення t_d₍_on₎, ПТ відкривається і через канал починає протікати струм стоку За амплітуди вхідного сигналу U_GS₄струм стоку встановлюється на рівні I_D₄ (рис. 5.9, б, 5.10, б). Цей процес на рис.(5.10, б) зображено переходом робочої точки, який показано стрілкою А – А₁. Але вихідна напруга через наявність ємності С₀не може різко змінитися. Для розрядження цієї ємності необхідний певний час. Розряджається вона через відкритий транзистор спочатку струмом стоку I_D₄. Напруга на конденсаторі спадає до U^A_DSsat, а робоча точка зміщується в положення A₂. На кінцевому етапі процесу вмикання робоча точка переходить у положення В. Струм стоку зменшується до рівня – струму насичення в точці В. Зазвичай тривалість увімкнення ключів визначають за інтервалом часу, протягом якого ключ переходить з режиму відсікання (I_D ≈ 0) у режим насичення – стан, коли ПТ повністю відкритий і має мінімальний опір, чим забезпечується проходження максимального струму стоку I_Dsa_t ≈ ≈ E_D/R_D₃(визначається тільки зовнішніми елементами). Тривалість зростання струму ключа t_r – це інтервал часу, протягом якого вихідний імпульс зростає від 10 до 90 % від свого усталеного значення під час увімкнення. Ураховуючи особливість осцилограми струму стоку на ділянці А₁ – А₂ – В, тривалість наростання струму t_r визначають через тривалість спадання напруги U_DS (рис. 5.10, в). Тривалість спадання напруги на виході від E_D до U^В_DS_зал можна оцінити, поділивши накопичений на ємності заряд E_DC₀ на струм розрядження. Нагадуємо, що тривалість змінювання напруги на конденсаторі в межах (0,1…0,9)U дорівнює 2,3. t

Повний час увімкнення ключа на МДН-транзисторі з резистивним навантаженням t_on = t_d₍_on₎ + t_r » t_r.

Розглянемо перехідні процеси під час вимикання ключа. У початковому стані транзистор відкритий і на ньому спадає невелика залишкова напруга U^В_D_зал (рис. 5.9, б, рис. 5.10, в). З подачею на затвор негативного стрибка напруги (кінець дії інформаційного імпульсу) канал розформовується, струм в транзисторі зменшується майже до нуля зі сталою часу крутості t_S. За час затримки вимкнення t_d_(off) транзистор вимикається. На рис. (5.9, б) це зображено переходом робочої точки стрілкою В – В₁. Напруга на виході все ще залишається на рівні U_D^B_S_зал. Починається зарядження ємності C₀ від джерела живлення E_D через резистор R_D із часовою сталою t= R_DC₀. Вихідна напруга наростає за еспоненційним законом: U_DS(t) = E_D(1-e ^–^1/).

Звідси можна визначити час зростання вихідної напруги: t_f = 2,3R_DC₀. За цей час напруга на виході ключа досягає значення U_DS ≈ E_D . Робоча точка зміщується по лінії В₁ – А. Тривалість вимкнення t_off = t_doff + t_f.

Отже, ємність C₀ розряджається через відкритий транзистор значним струмом I_D₄, а заряджається через резистор R_D (одиниці кілоомів), тому t_off >> t_on. Розрізнювальний час визначають так: t = t_off + t_on » t_off.

Таким чином, як показано вище, для зменшення залишкової напруги доцільно збільшувати опір резистора в колі стока (лінія навантаження опускається, робоча точка зміщується в точку С, рис. 5.9, б), але це викликає збільшення сталої часу зарядження паразитних ємностей, тобто зменшує швидкодію ключа.

Для ключових схем потрібні транзистори, які відповідають специфічній системі вимог, відмінних від вимог до транзисторів, працюючих у підсилювальних лінійних режимах. Тому промисловість випускає спеціальні ключові МДН-транзистори. Це необхідно враховувати під час проектування електронних пристроїв.

Перевагами ключових МДН-транзисторів порівняно з БТ є: високоомний вхід, що дає можливість використовувати безпосередній (гальванічний) зв’язок між ключами, висока швидкодія (тривалість перемикання 1…0,1 нс), суміщення високої швидкодії з високими напругами та струмами перемикання (до 10А за 10 нс), малий опір відкритого каналу, можливість паралельного вмикання транзисторів для збільшення потужності перемикання.

Ключі на МДН-транзисторах з динамічним навантаженням

Такі ключі поширені в інтегральній схемотехніці, коли формування структури транзистора замість резистора не викликає додаткових труднощів. Схема такого ключа показано на рис. 5.11, а.

У транзисторі VT2 затвор з’єднаний зі стоком, що забезпечує його роботу на пологій ділянці вихідної характеристики.

Він являє собою нелінійний резистор навантаження. Цей транзистор виконує ту саму роль, що і резистор R_D у схемі рис. 5.9, а. Принцип дії та часові параметри таких ключів істотно не відрізняються від ключів з резистивним навантаженням. Зазначимо, що в такій схемі використовують транзистори з каналами одного типу провідності.

Комплементарні ключі

У комплементарних ключах використовують два МДН-транзистори з каналами різної провідності (рис. 5.11, б). Така комплементарна пара МДН-транзисторів має з’єднані затвори і стоки. Якщо VТ1 має n-канал, то для живлення ключа вмикають джерело з позитивною напругою +Е_D. У такому разі VТ2 необхідно ввімкнути витоком до плюс Е_D, а стоком до стоку VТ1. Затвори обох транзисторів з’єднуються і утворюють вхід ключа. Якщо інформаційного сигналу на вході немає (U _GS < U_GST), то VТ1 закритий. У цьому разі напруга між затвором і витоком VТ2 становить мінус Е_D, що перевищує значення U_GST, а значить VТ2 знаходиться в режимі насичення. Таким чином, VТ1 (n–канальний) – закритий, а VТ2 (p‑канальний) – відкритий. На виході формується високий потенціал. Якщо на затвори поступає керувальний сигнал (U¹_GS > U_GST), то VТ1 відкривається. Амплітуда керувального сигналу має бути такою, щоб забезпечити нерівність (Е_D – U _GS) < U_GST, і тоді VТ2 закривається. У комплементарних ключах завжди один з транзисторів знаходиться у стані відсікання, а другий – у стані насичення (за винятком перехідних процесів).

В обох розглянутих режимах у комплементарних ключах вихідний струм стоку дорівнює залишковому I_DSX, оскільки завжди один з транзисторів комплементарної пари закритий і потужність джерела живлення у вихідному колі майже не споживається. Зниження вихідного струму до значення I_DSX у «відкритому» статичному стані МДН-транзистора забезпечує одночасно різке зменшення залишкової напруги на виході відкритого ключа до одиниць мікровольтів і менше. Малий залишковий струм свідчить про великий опір у колі стоку, а це зумовлює зміщення лінії навантаження вниз.

Особливістю динаміки перемикання комплементарної пари є майже повна симетрія процесів зарядження та розрядження ємності навантаження C₀: зарядження відбувається через відкритий транзистор VT2 (коли закритий VT1), а розрядження – через відкритий VT1 (коли закритий VT2). Тому тривалість вмикання та вимикання комплементарного ключа однакова. Швидкодія його значно вища від швидкодії розглянутих ключів на МДН-транзисторах.

Розглянуті типи ключів широко використовують в інтегральних цифрових схемах. На їх базі створено схеми МДН (МОН)-логіки. Формування транзисторів замість резисторів у ключах з динамічним навантаженням дозволяє збільшити щільність розміщення, оскільки МДН-транзистор займає на підкладці меншу площу, ніж резистор. У схемах ДМДН-логіки немає елементів (резисторів, діодів, конденсаторів) між виходом одного транзистора і входом другого. Це обумовлено високим вхідним опором. Комплементарні ключі використовують в інтегральних схемах комплементарної МДН-логіки (КМДН або КМОН).

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Польові транзистори з ізольованими затворами	\|	Температурні залежності та шуми ПТ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.1 сек.