Простейшие инверторные (ключевые) схемы на МДП-транзисторах

МДП-транзисторные ключи можно разделить на три типа: с резистивной нагрузкой (рис. 9.5, а), с динамической нагрузкой (см. рис. 9.7, а) и комплементарные ключи (см. рис. 9.8, а).

Рассмотрим процессы переключения п-канального МДП-ключа с резистивной нагрузкой (см. рис. 9.5). Если на затвор подать напряжение 1/_вх = 17₃⁺ < и_пор, то ключ закрыт, ток стока равен нулю, а выходное напряжение 17_вых = и¹ = Г_с (точка А на рис. 9.5, б)_у что соответствует логической единице 1. При подаче на затвор напряжения и_вх = 17 ? > 1/_пор ключ переходит в открытое состояние. Входное напряжение должно быть достаточно большим, чтобы напряжение (7_ВЫХ = 17^ = 17° (точка В на рис. 9.5, б — ло;

Рис. 9.5.

Рис. 9.6.

гический О (ноль)) было по возможности меньшим, тогда рабочий ток /_си определяется внешними элементами схемы, т. е.

Для уменьшения необходимо увеличивать сопротивление Я_с и напряжение С/₃⁺ и, принципиально, = и⁰ можно сделать сколь угодно малым. В то время как в биполярных ключах и_жу принципиально ограничено напряжением ?/_кэ.

На рис. 9.6 приведены временные диаграммы входного (а) и выходного (в) напряжений, а также тока стока (б). При поступлении входного импульса (при Г/₃⁺ > С/_пор) в момент транзистор открывается. Время формирования канала и установления тока равно по порядку величине времени пролета электронов через канал, которым можно пренебречь при достаточно большой нагрузочной емкости и считать, что ток стока /_с устанавливается мгновенно, достигая значения /_с нас (см. рис. 9.6, б)> соответствующего статической ВАХ при 1/_с = ?_с. Ток /_с разряжает выходную емкость, и выходное напряжение понижается, при этом ток разряда /_р = /_с([/_вых) — ^гД^ес (^вых) определяется стоковой ВАХ ((/_вых = Г/_с), а /_д = (?_с — и_вых)/Я_с. Напряжение на выходной емкости может быть вычислено из выражения.

Рис. 9.7.

Время спада ?_с отсчитывается по уровням ОД и 0,9 (рис. 9.7, б) выходной амплитуды импульса ?_с. Анализ переходного процесса, включающий интегрирование уравнения (9.2) с учетом особенностей параметров схемы, позволяет вычислить время спада по формуле.

где коэффициент? = 1…2 зависит от многих факторов (при оценках обычно принимают ^ = 1,5).

В момент выключения (* = ?₂) канал мгновенно исчезает, поэтому /_с = 0. Выходная емкость заряжается через резистор Я_с, и напряжение ?/_вых возрастает до величины _с при времени нарастания (см. рис. 9.6, в) t_н = t_ф = 2,2Я_(:С_ВЫХ.

Для снижения *_н необходимо уменьшить Я_с с одновременным пропорциональным увеличением тока /_Сиас, ^чт°бы сохранить малое значение и_ост. Поскольку в цифровых ИС выход логического элемента соединяется со входами аналогичных элементов, то выходная емкость С_вых = С_н для каждого элемента определяется емкостью затвор—исток (пропорциональной длине канала), которая может составлять сотые доли пикофарады. Более высокое быстродействие (примерно на порядок) достигается на комплементарных транзисторах с *_с ²⁵ ?_н < 0,5 нс.

В МДП-ключах с динамической нагрузкой вместо резистора используются транзисторы. В схеме на рис. 9.7, а роль динамической нагрузки выполняет нагрузочный транзистор УТ₂, у кото;

рого затвор соединен со стоком, при этом УТ, является активным транзистором. При соединении затвора со стоком ?/_ЗИ2 ^=сиг справедливо неравенство С/_ЗИ2 —^{пор <СИ2} (где и_3]лг — напряжение затвор—исток УТ₂, и_си2 — напряжение сток—исток УТ₂), т. е. УТ₂ работает на пологом участке выходной характеристики. ВАХ УТ₂ с закороченным на сток затвором можно построить по семейству стоковых характеристик, используя равенство и_ш2 = ?/_СИ2, т. е. сначала задается одно значение ?/_си по оси абсцисс исходного семейства выходных ВАХ обычного УТ₂ и проводится вертикальная линия до пересечения с той кривой, у которой С/_ЗИ2 = ?/_СИ2, в результате чего получается одна точка (см. рис. 9.7, б_у точка В). После этого аналогичная операция реализуется для других значений 1/_СИ2 и 1/_ЗИ2, вплоть до значения и_си2 = ?/_ип, где 1/_иа — ЭДС источника питания. Полученная ВАХ позволяет построить нагрузочную линию Я_д (УТ₂) транзистора УТ, (см. рис. 9.7, б)_у аналогичную нагрузочной прямой при резистивной нагрузке Я_(; (см. рис. 9.5, б). Однако эта характеристика будет начинаться не в точке А, где ?/_си = ?_с, а в точке и_Сн = ?_с —⁰² (^гд^{е02 =зипор2} «» пороговое напряжение для УТ₂). В открытом состоянии ключа рабочая точка лежит на квазилинейном участке характеристики активного транзистора УТ, (точка В на рис. 9.7, б). Остаточное напряжение С/_ост в этой точке (обычно С/_<�кгг ~ 50… 100 мВ) в несколько раз меньше соответствующего значения для МДП-ключа с резистивной нагрузкой (300 мВ и более).

Если в качестве нагрузки использовать МДП-транзистор с типом канала, противоположным основному активному, то такая схема называется комплементарным ключом (инвертором) (рис. 9.8, а). Подложка нагрузочного р канального транзистора УТ., подключается к точке с наибольшим потенциалом, а подложка основного «канального транзистора УТ, подключается к точке с наименьшим потенциалом. В результате исключается отпирание изолирующих р—» переходов, которые обеспечивают изоляцию каналов МДП-структур от подложки. Если ?/_вх = О, то 17_зи, = 0, а С/_ЗИ2 = -С/_ип <0, следовательно, р-канальный транзистор УТ₂ — открыт, а «канальный транзистор УТ, — закрыт (для него Г/_ип = <^с₍. > и_пор2|). В результате ток в общей цепи.

Рис. 9.8.

определяется сопротивлением закрытого транзистора УТ,. Ток имеет очень малые значения, так как сопротивление закрытого транзистора УТ! очень велико, а напряжение |(/_(:И2| — очень мало.

Величину можно определить, если найти точку пересечения выходной (стоковой) характеристики закрытого УТ, и выходной характеристики открытого УТ₂ при известном ?/_ЗИ2 (точка А на рис. 9.8, б, где ?/_си = С1_с ~ С/_ип). Таким образом, УТ₂ выступает как нелинейная нагрузка для УТ,.

Если же на вход подать положительный сигнал величиной ^и.х = 6с> то^{ЗИ1 =}> ^и«ор1 ^{и и}зиг = 0. В этом случае УТ, — открыт, а УТ₂ — закрыт, при этом ток в общей цепи остается на том же уровне, что и в предыдущем случае, хотя транзисторы переключились (точка В на рис. 9.8, б). Следовательно, комплементарные ключи потребляют крайне малую мощность в обоих состояниях, что является их важнейшим достоинством.

Однако оба устойчивых состояния сильно различаются по уровню выходного напряжения. В первом рассматриваемом случае при ?/_вх — 0 выходное напряжение С/_вых = />_с = ?/_И|| = Г/¹, а во втором — при ?/_вх = ?_с = ?/_ип выходное напряжение ?/_вых = = = и⁰. Остаточное напряжение и_ост может иметь очень малые значения (единицы микровольт и менее), что является также достоинством рассматриваемых ключей.

Кроме полезных сигналов, на входы ключей всегда воздействуют внешние электромагнитные помехи. Ключи (инверторы) не должны реагировать на помехи. Нечувствительность ключей к паразитным сигналам и шумам называется помехозащищенностью или помехоустойчивостью. Помехоустойчивость измеряется максимальной абсолютной величиной сигнала (обычно в вольтах), которая не вызывает ложного переключения.