Ключевая схема на комплементарных транзисторах

Полевые транзисторы очень широко используются в цифровых ИС. Так же как и биполярный, нолевой транзистор может быть положен в основу транзисторного ключа, реализующего функцию НЕ, т. е. инвертора. Однако если ключ на биполярном транзисторе почти не потребляет мощности только в закрытом состоянии, то на полевых транзисторах можно реализовать ключ, практически не потребляющий мощности от источника питания как в закрытом, так и в открытом состоянии.

Создать на МОП-транзисторах инвертор, не потребляющий мощности при любом сигнале на выходе, позволяют так называемые комплементарные (взаимодополняющие) транзисторы (КМОП), представляющие два МОП-транзистора VT1 и VT2 с каналами противоположного типа, затворы и стоки которых соединены параллельно (рис. 3.9). Схема симметрична: когда один из транзисторов открыт и выполняет роль замкнутого ключа, другой закрыт и служит нагрузочным сопротивлением.

Рис. 3.9. Инвертор на КМОП-транзисторах

Рассмотрим работу КМОП-транзисторов при позитивной логике и положительной полярности напряжения питания и сигналов. Исток и подложка транзистора VT1 подключены к нулевому потенциалу корпуса, а исток и подложка транзистора V72 — к потенциалу +? источника питания. Поэтому при подаче на вход схемы логического нуля (U_nx ~ 0) разность потенциалов между затвором и истоком первого транзистора (7_ЗИ1 = = f/_BX — 0 «0 и VT1 заперт. Напряжение между затвором и истоком второго транзистора [/_ЗИ2 ^=вх — Е ~ 0 — Е ~ -Е, и транзистор VT2 оказывается в состоянии глубокого насыщения. Через него, как через замкнутый ключ, потенциал +Е подан на выход ([/_вых ~ +?), реализуя тем самым на выходе логическую единицу. При этом общий для обоих транзисторов ток /_с близок к нулю, так как сопротивление запертого транзистора VT1 достаточно велико.

Если же на вход подана логическая единица (т.е. U_BX ~ +?), то [/_ЗИ1 = = U_BX — 0 ~ +? — 0 * +Е и транзистор VT окажется открытым, а транзистор VT2 — закрытым, так как U_3И2 = U_BX — Е ~ +Е — Е ~ 0. Значит, через замкнутый ключ VTI на выход будет подан нулевой потенциал корпуса U_Bых ~ 0, реализуя на выходе логический нуль. При этом общий ток /_с останется близким к нулю, потому что будет достаточно большим сопротивление запертого транзистора VT1.

Таким образом, в любом статическом состоянии схема практически не потребляет мощности от источника питания. Ток через оба транзистора будет протекать только во время переключения, когда один из транзисторов еще не закроется, а другой — уже приоткроется.

Ключевая схема на КМОП-транзисторах близка к идеальному ключу, и коэффициент использования напряжения источника питания в таком инверторе К_и = 1/_вых/ Е ~ 1.

Работоспособность такого инвертора не зависит от напряжения питания при условии, что оно не меньше удвоенного значения порогового напряжения транзистора (Е> 2 U_{3M пор}), поэтому схема может работать при больших разбросах напряжения питания.

Благодаря высокому значению коэффициента использования напряжения питания, малой потребляемой мощности и высокому быстродействию ключевые схемы на КМОП-транзисторах нашли широкое применение в интегральной схемотехнике.