Файл: ЛР 11 Ключевые элементы на ПТ.pdf

6. Основные сведения

Ключевые элементы на МДП-транзисторах

Ключевой элемент на МДП-транзисторе с резистивной нагрузкой.

Схема такого ключа показана на рис. 2. На рис. 3 приведены выходные (стоковые) характеристики транзистора с нанесенной на них нагрузочной прямой Uс = Eп − IсRс . Как и в случае биполярного ключа с общим

эмиттером, при действии на входе большого сигнала рабочая точка проходит три области ВАХ, соответствующие трем возможным режимам работы:

−область отсечки, соответствующая режиму закрытого транзистора;

−активная область, соответствующая пологой области ВАХ;

−крутая область ВАХ и максимальная проводимость канала.

этот ток практически равен нулю. Выходное же напряжение максимально и

равно: Uвых =Uсиз ≈ Eп =Uвых1 .

Для отпирания транзистора на затвор подается напряжение Uвх1 >Uо.

Это напряжение должно быть достаточно большим, чтобы рабочая точка А (рис. 3) соответствовала как можно меньшему остаточному напряжению:

Uвых =Uсо =Uвых0 . Тогда рабочий ток открытого ключа (ток насыщения) определяется, как и у биполярного ключа, внешними элементами схемы.

Рис.3

В открытом состоянии ключа рабочая точка A лежит на начальном, квазилинейном участке характеристики МДП-транзистора. Поэтому остаточное напряжение можно определить, умножая ток насыщения (1) на сопротивление канала rк :

Поэтому напряжение на затворе открытого транзистора равно U зи = Eп . Следовательно, сопротивление канала открытого транзистора равно [1]:

где β - приведенная крутизна МДП-транзистора. Часто вместо β в справочниках или в других документах приводится коэффициент

сопротивление канала rк составляет величину от сотен Ом до нескольких единиц кОм. Значит, для уменьшения выходного напряжения открытой

схемы Uвых0 необходимо выбирать сопротивление Rс как можно большим (не менее 10 кОм).

Для силовой электроники выпускаются транзисторы с сопротивлением канала открытого транзистора rк<1 Ом, что намного эффективнее биполярного ключа.

На рис. 4 приведена передаточная характеристика ключевого элемента с резистивной нагрузкой и отмечены области работы транзистора по каждому участку кривой.

Пока входное напряжение Uвх пор0 , транзистор закрыт, и

Uвых =Uвых1 ≈ Eп .

При входном сигнале, лежащем в диапазоне Uпор0 вх пор1 , транзистор работает в пологой области характеристик, и схема ведет себя как усилительный каскад с общим истоком, коэффициент усиления которого равен

где S = 2β(U зи −Uо) – крутизна транзистора для малого сигнала.

При Uвх =U пор1 транзистор переходит в крутую область вольт-амперных

характеристик, где крутизна транзистора S уменьшается. Вместе с ней уменьшается и дифференциальный коэффициент передачи Ku . При этом

выходное напряжение постепенно стремится к уровню Uвых0 =Uсо .

Ключ с динамической нагрузкой. В интегральных логических схемах для уменьшения площади логического элемента резистор Rс (рис.2) заменяют МДП-транзистором. Схема такого инвертора, выполненного на однотипных транзисторах, показана на рис. 5. Роль динамической нагрузки выполняет транзистор VT2, у которого затвор соединен со стоком и который, тем самым, является двухполюсником – резистором. Транзистор VT2 называют нагрузочным, а VT1 – активным.

Можно показать, что транзистор VT2 всегда работает на пологом участке выходных вольт-амперных характеристик. Поэтому линия нагрузки (см. рис. 6) определяется током стока нагрузочного транзистора:

Как видно, эта ВАХ – параболическая, т.е. нелинейная.

В закрытом состоянии ключа, когда на вход подано напряжение Uвх0

резисторном ключе (10−9...10−10 А и менее), а максимальное выходное напряжение определяется точкой пересечения линии нагрузки, определяемой уравнением (5), и ВАХ активного транзистора (рис. 6). Видно, что это напряжение равно

т.е. выходное напряжение закрытой схемы с динамической нагрузкой меньше, чем Uвых1 у схемы с резистивной нагрузкой.

Рис.6

В открытом состоянии ключа, когда на вход подано напряжение Uвх1 >Uо рабочая точка А лежит на квазилинейном участке характеристики

активного транзистора VT1 . Остаточное напряжение в этой точке определяет выходное напряжение логического нуля и равно

Поскольку на практике всегда выполняется условие (U зи1 −Uо1) ≤(U зи2 −Uо2 ) , то для того, чтобы остаточное напряжение было

мало, в ключе с динамической нагрузкой необходимо выполнить соотношение β1>>β2 , т.е. транзисторы должны существенно различаться.

Для повышения Uвых1 до значения Eп в качестве нагрузочного

транзистора VT2 в современной технологии логических интегральных схем (так называемая n-МОП технология) используют МДП-транзистор со встроенным каналом. В этом случае нагрузочный транзистор работает в крутой области характеристик и ведет себя как обычный резистор. Работа и характеристики такой схемы ничем не отличаются от ранее рассмотренной схемы с резистивной нагрузкой.

Комплементарный ключ. Схема такого ключа показана на рис. 7. Она базируется на двух транзисторах с разным типом проводимости канала.

Транзистор VT1 с каналом n-типа играет роль активного элемента, а транзистор VT2 с каналом р- типа выступает в роли динамической нагрузки. Затворы обоих транзисторов объединены и на них подается управляющее напряжение Uвх. Подложки транзисторов соединены с их истоками.

крутой области ВАХ, и сопротивление его канала определяется соотношением (6). Падение напряжения на этом транзисторе Uси2 можно определить, перемножив остаточный ток первого транзистора на

прежнему определяется запертым транзистором VT2 и равен его остаточному току Iост2 ≈0 , хотя транзисторы и «поменялись местами». Как и выше,

можно показать, что в этом случае