Дію транзистора можна порівняти з дією греблі. За допомогою постійного джерела (течія річки) і греблі створений перепад рівнів води. Витрачаючи дуже невелику енергію на вертикальне переміщення затвора, ми можемо управляти потоком води великої потужності, тобто управляти енергією могутнього постійного джерела.
Термін служби напівпровідникових тріодів і їх економічність у багато разів більші, ніж у електронних ламп. За рахунок цього транзистори знайшли широке застосування в мікроелектроніці – теле-, відео-, аудіо-, радіоапаратурі і, звичайно ж, у комп'ютерах. Вони замінюють електронні лампи в багатьох електричних ланцюгах наукової, промислової і побутової апаратури.
Переваги транзисторів в порівнянні з електронними лампами – ті ж, як і у напівпровідникових діодів – відсутність розжареного катода, що споживає значну потужність і вимагає часу для його розігрівання. Крім того транзистори самі по собі у багато разів менше за масою і розмірами, ніж електричні лампи, і транзистори здатні працювати при нижчих напругах і вищих частотах.
Але разом з позитивними якостями, тріоди мають і свої недоліки. Як і напівпровідникові діоди, транзистори дуже чутливі до підвищення температури, електричних перевантажень і сильно проникаючих випромінювань (щоб зробити транзистор довговічнішим, його поміщають в спеціальні корпуси).
Основні матеріали з яких виготовляють транзистори – кремній і германій, перспективні – арсенід галію, сульфід цинку і широкозонні провідники.
Існує 2 типи транзисторів: біполярні і польові.
Електронний ключ – основний функціональний вузол дискретної схемотехніки для перемикання струмів або потенціалів на навантаженні.
В імпульсних пристроях дуже часто потрібно комутувати (включати і виключати) електричні ланцюги. Ця операція виконується безконтактним способом за допомогою транзисторних ключів.
Ключові схеми використовуються для побудови генераторів і формувачів імпульсів, а також різних логічних схем цифрової обчислювальної техніки. Ключ виконує елементарну операцію інверсії логічної змінної і називається інвертором.
У статичному режимі ключ перебуває в стані «включено» (ключ замкнений), або в стані «виключено» (ключ розімкнений). Перемикання ключа з одного стану в інший відбувається під впливом вхідних управляючих сигналів: імпульсів або рівнів напруги. Прості ключові схеми мають один управляючий вхід і один вихід.
Основу ключа складає транзистор в дискретному або інтегральному виконанні.
Залежно від стану ключ шунтує зовнішнє навантаження великим або малим вихідним опором. У цьому і полягає комутація ланцюга, вироблювана транзисторним ключем.
Основними параметрами ключа є:
•швидкодія, яка визначається максимально можливим числом перемикань за секунду; для інтегральних ключових схем вона складає мільйони комутацій;
•тривалість фронтів вихідних сигналів;
•внутрішні опори у відкритому і закритому стані;
•споживана потужність;
•перешкодостійкість, рівна рівню перешкоди на вході, що викликає помилкове перемикання;
•стабільність порогових рівнів, при яких відбувається перемикання;
•надійність роботи в реальних умовах старіння радіодеталей, зміни джерел живлення і т.д.
Розглянемо устрій і принцип дії польового транзистора МОН-структури (Метал-Окисел-Напівпровідник), який знайшов широке застосування як основний елемент всіх сучасних інтегральних мікросхем КМОП структури.
Польовий транзистор – це напівпровідниковий прилад, підсилювальні властивості якого зумовлені потоком основних носіїв, що протікає через провідний канал і керований електричним полем. На відміну від біполярних робота польових транзисторів заснована на використанні основних носіїв заряду в напівпровіднику. За конструктивним виконанням і технологією виготовлення польові транзистори можна розділити на дві групи: польові транзистори з управляючим р-п-переходом і польові транзистори з ізольованим затвором.
Польовий транзистор з управляючим р-п-переходом – це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу р-п-переходом, зміщеним у зворотному напрямі. Електрод, з якого в канал входять носії заряду, називають витоком; електрод, через який з каналу йдуть носії заряду, – стоком; електрод, що служить для регулювання поперечного перетину каналу, – затвором. При підключенні до витоку негативної (для п‑каналу), а до стоку позитивної напруги (рис. 1.1) в каналі виникає електричний струм, що створюється рухом електронів від витоку до стоку, тобто основними носіями заряду. У цьому полягає істотна відмінність польового транзистора від біполярного. Рух носіїв заряду уздовж електронно-діркового переходу (а не через переходи, як в біполярному транзисторі) є другою характерною особливістю польового транзистора.
Рис. 1.1. Структура польового транзистора
Електричне поле, що створюється між затвором і каналом, змінює щільність носіїв заряду в каналі, тобто величину протікаючого струму. Оскільки управління відбувається через зміщений назад р-п-перехід, опір між управляючим електродом і каналом великий, а споживана потужність від джерела сигналу в ланцюзі затвора нікчемно мала. Тому польовий транзистор може забезпечити посилення електромагнітних коливань як по потужності, так і по струму і напрузі.
Польовий транзистор з ізольованим затвором – це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу шаром діелектрика. Польовий транзистор з ізольованим затвором складається з пластини напівпровідника (підкладки) з відносно високим питомим опором, в якій створені дві області з протилежним типом електропровідності (рис. 1.2). На ці області нанесені металеві електроди – витік і стік. Поверхня напівпровідника між витоком і стоком покрита тонким шаром діелектрика (звичайно шаром оксиду кремнію). На шар діелектрика нанесений металевий електрод – затвор. Виходить структура, що складається з металу, діелектрика і напівпровідника. Тому польові транзистори з ізольованим затвором часто називають МДП-транзисторами або МОП-транзисторами (Метал-Оксид-Напівпровідник).
Рис. 1.2. Структура польового транзистора з ізольованим затвором
Існують два різновиди МДП-транзисторів з індукованим і з вбудованим каналами.
У МДП-транзисторах з індукованим каналом провідний канал між сильнолегованими областями витоку і стоку і, отже, помітний струм стоку з'являється тільки при певній полярності і при певному значенні напруги на затворі відносно витоку (негативного при р-каналі і позитивного при п-каналі).Цю напругу називають пороговим (UЗИ.пор). Оскільки поява і зростання провідності індукованого каналу пов'язані зі збагаченням його основними носіями заряду, то вважають, що канал працює в режимі збагачення.
У МДП-транзисторах з вбудованим каналом провідний канал, який виготовляється технологічним шляхом, утворюється при напрузі на затворі рівній нулю. Струмом стоку можна управляти, змінюючи значення і полярність напруги між затвором і витоком. При деякій позитивній напрузі затвор – витік транзистора з р-каналом або негативній напрузі транзистора з n-каналом струм в ланцюзі стоку припиняється. Цю напругу називають напругою відсічення (UЗИ.отс). МДП-транзистор з вбудованим каналом може працювати як у режимі збагачення, так і в режимі збіднення каналу основними носіями заряду.
Польовий транзистор як елемент схеми є активним несиметричним чотириполюсником, у якого один із затисків є загальним для ланцюгів входу і виходу. Залежно від того, який з електродів польового транзистора підключений до загального виведення, розрізняють схеми: із загальним витоком і входом затвор; із загальним стоком і входом на затвор; із загальним затвором і входом на витік. Схеми включення польового транзистора показані на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Схеми включення польового транзистора
За аналогією з ламповою електронікою, де за типову прийнята схема із загальним катодом, для польових транзисторів типовою є схема із загальним витоком.
Еквівалентна схема польового транзистора, елементи якої виражені через Y-параметри, наведена на рис. 1.4. При такому підключенні кожна з провідності має фізичний сенс.
Вхідна провідність визначається провідністю ділянки затвор – витік YЗИ. = Y11 + Y12; вихідна провідність – провідність ділянки стік – витік YСИ = Y22 + Y21; функції передачі – крутизною вольт-амперної характеристики S = Y21 – Y12; функція зворотної передачі – прохідною провідністю YЗС = Y12. Ці параметри застосовуються в якості первинних параметрів польового транзистора, використовуваного як чотириполюсник. Якщо первинні параметри чотириполюсника для схем із загальним витоком визначені, то можна розрахувати параметри для будь-якої іншої схеми включення польового транзистора.
Початковий струм стоку IС.нач – струм стоку при напрузі між затвором і витоком, рівній нулю і напрузі на стоці, рівному або що перевищує напругу насичення. Залишковий струм стоку IС.ост – струм стоку при напрузі між затвором і витоком, що перевищує напругу відсічення. Струм витоку затвора IС.ут – струм затвора при заданій напрузі між затвором і рештою виведень, замкнених між собою. Зворотний струм переходу затвор – стік IЗСО – струм, протікаючий в ланцюзі затвор – стік при заданій зворотній напрузі між затвором і стоком і розімкненими рештою виведень. Зворотний струм переходу затвор – витік IЗИО – струм, протікаючий в ланцюзі затвор – витік при заданій зворотній напрузі між затвором і витоком і розімкненими рештою виведень.
Напруга відсічення польового транзистора UЗИ.отс– напруга між затвором і витоком транзистора з р-п переходом або ізольованим затвором, працюючого в режимі збіднення, при якому струм стоку досягає заданого низького значення. Порогова напруга польового транзистора UЗИ.пор –напруга між затвором і витоком транзистора з ізольованим затвором, працюючого в режимі збагачення, при якому струм стоку досягає заданого низького значення.
Крутизна характеристик польового транзистора S – відношення зміни струму стоку до зміни напруги на затворі при короткому замиканні по змінному струму на виході транзистора в схемі із загальним витоком.
Вхідна ємність польового транзистора С11и – ємність між затвором і витоком при короткому замиканні по змінному струму на виході в схемі із загальним витоком. Вихідна ємність польового транзистора С22и – ємність між стоком і витоком при короткому замиканні по змінному струму на вході в схемі із загальним витоком. Прохідна ємність польового транзистора C12и – ємність між затвором і стоком при короткому замиканні по змінному струму на вході в схемі із загальним витоком. Ємність затвор-стік СЗСО – ємність між затвором і стоком при розімкнених по змінному струму решті виведень. Ємність затвор-витік СЗИО ємність між затвором і витоком при розімкнених по змінному струму решті виведень.
Коефіцієнт посилення по потужності Кур – відношення потужності на виході польового транзистора до потужності на вході при певній частоті і схемі включення.
Частотні властивості польових транзисторів визначаються постійною часу RC – ланцюги затвора. Оскільки вхідна ємність С11иу транзисторів з р-п-переходом велика (десятки пікофарад), їх застосування в підсилювальних каскадах з великим вхідним опором можливе в діапазоні частот, що не перевищують сотень кілогерц – одиниць мегагерц.
При роботі в перемикаючих схемах швидкість перемикання повністю визначається постійною часу RC – ланцюга затвора. У польових транзисторів з ізольованим затвором вхідна ємність значно менша, тому їх частотні властивості набагато кращі, ніж у польових транзисторів з р-п-переходом.
Шумові властивостіпольових транзисторів оцінюються коефіцієнтом шуму КШ, який мало залежить від напруги стік-витік, струму стоку і навколишньої температури (нижче 50° С) і монотонно зростає зі зменшенням частоти і внутрішнього опору джерела сигналу. Коефіцієнт шуму вимірюють в заданому режимі по постійному струму UСИ, ICна певній частоті.
Замість коефіцієнта шуму іноді вказують шумову напругу польового транзистора Uш– еквівалентна шумова напруга, приведена до входу, в смузі частот при певному повному опорі генератора в схемі із загальним витоком; шумовий струм Iш – еквівалентний шумовий струм, приведений до входу, при розімкненому вході в смузі частот у схемі із загальним витоком.
Теплові параметри польового транзистора характеризують його стійкість при роботі в діапазоні температур. При зміні температури властивості напівпровідникових матеріалів змінюються. Це приводить до зміни параметрів польового транзистора, в першу чергу, струму стоку, крутизни і струму витоку затвора.
Залежність зміни струму стоку від температури визначається двома чинниками: контактною різницею потенціалів р-п-переходу і зміною рухливості основних носіїв заряду в каналі. При підвищенні температури контактна різниця потенціалів зменшується, опір каналу падає, а струм збільшується. Але підвищення температури приводить до зменшення рухливості носіїв заряду в каналі і струму стоку. За певних умов дія цих чинників взаємно компенсується і струм польового транзистора перестає залежати від температури. На рис. 1.5. наведені стокозатворні характеристики при різних температурах навколишнього середовища і вказано положення термостабільної точки.
Рис. 1.5. Стік-затворні характеристики польового транзистора при різних температурах
Залежність крутизни характеристики від температури у польових транзисторів така ж як і у струму стоку. Зі зростанням температури струм витоку затвора збільшується. Хоча абсолютна зміна струму незначна, її треба враховувати при великих опорах у ланцюзі затвора. В цьому випадку зміна струму витоку затвора може викликати суттєву зміну напруги на затворі польового транзистора і режиму його роботи. Температурна залежність струму витоку затвора польового транзистора з р-п-переходом наведена на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Залежність струму витоку затвора польового транзистора від температури
У польовому транзисторі з ізольованим затвором струм затвора практично не залежить від температури.
Максимально допустимі параметри визначають значення конкретних режимів польових транзисторів, які не повинні перевищуватися за будь-яких умов експлуатації і при яких забезпечується задана надійність. До максимально допустимих параметрів відносяться: максимально допустима напруга затвор – витік UЗИmax, затвор – стік UЗСmax, стік – витік UСИmax, максимально допустима напруга стік – підкладка UСПmax, витік – підкладка UИПmax, затвор – підкладка UЗПmax. Максимально допустимий постійний струм стоку IСmax,максимально допустимий прямий струм затвора IЗ(пр)max,максимально допустима постійна розсіювана потужність Рmax.
Вольт – амперні характеристики польових транзисторів встановлюють залежність струму стоку IC від однієї з напруг UСИабо UЗИпри фіксованій величині другої.
У МДП-транзисторі з індукованим каналом з підкладкою р-типу при UЗИ = 0 канал п-типуможе перебувати в провідному стані. При деякій пороговій напрузі UЗИ.ПОР < 0 за рахунок збіднення каналу основними носіями провідність його значно зменшується. Статичні стічні характеристики в цьому випадку матимуть вигляд, зображений на рис. 1.7, а характеристика, стоко-затвора, перетинає вісь ординат в точці із значенням струму IC.НАЧ.
Рис. 1.7. Вольт-амперні характеристики польового транзистора з вбудованим каналом n- типу: а – стічні; б – стоко-затвори.
Особливістю МДП-транзистора з індукованим каналом п-типу є можливість роботи без постійної напруги зсуву (UЗИ = 0) в режимі як збіднення, так і збагачення каналу основними носіями заряду. МДП-транзистор з вбудованим каналом має вольт-амперні характеристики, аналогічні зображеним на рис. 1.7.
У МДП-транзисторів усіх типів потенціал підкладки відносно витоку робить помітний вплив на вольт-амперні характеристики і відповідно параметри транзистора. Завдяки дії на провідність каналу підкладка може виконувати функцію затвора. Напруга на підкладці відносно витоку повинна мати таку полярність, щоб р-п-перехід витік – підкладка включався у зворотному напрямі. При цьому р-п-перехід канал – підкладка діє як затвор польового транзистора з управляючим р-п переходом.
Польові транзистори мають вольт-амперні характеристики, подібні ламповим, і володіють всіма принциповими перевагами транзисторів. Це дозволяє застосовувати їх у схемах, де в більшості випадків використовувалися електронні лампи, наприклад, у підсилювачах постійного струму з високоомним входом, в джерельних повторювачах з особливо високоомним входом, у електрометричних підсилювачах, різних реле часу, RS-генераторах синусоїдальних коливань низьких і інфранизьких частот, у генераторах пилкоподібних коливань, підсилювачах низької частоти, що працюють від джерел з великим внутрішнім опором, в активних RC-фільтрах низьких частот. Польові транзистори з ізольованим затвором використовують у високочастотних підсилювачах, змішувачах, ключових пристроях.
Польові транзистори з ізольованим затвором слід зберігати із закороченими виведеннями. При включенні транзисторів у схему повинні бути прийняті всі заходи для зняття зарядів статичної електрики. Необхідне паяння проводити на заземленому металевому листі, заземлити жало паяльника, а так само руки монтажника за допомогою спеціального металевого браслета. Не слід застосовувати одяг з синтетичних тканин. Доцільно під'єднувати польовий транзистор до схеми, заздалегідь закоротивши його виведення.
Аналоговий ключ служить для перемикання електричних сигналів, що безперервно змінюються. Якщо ключ знаходиться в змозі "включено", його вихідна напруга повинна по можливості точно дорівнювати вхідному; якщо ж ключ знаходиться в змозі "вимкнено", вихідна напруга повинна бути якомога ближче до нуля або, в усякому разі, повинно якомога менше залежати від вхідного.
Існують різні схемні рішення ключів, що задовольняють вказаним умовам. Їх принцип дії показаний на мал. 1 на прикладі механічних (контактних) перемикачів.
На рис. 2.1а представлений послідовний ключ. Поки контакт замкнений Uвых = Uвх. Коли контакт розмикається, вихідна напруга стає рівною нулю. Все це справедливо, якщо джерело сигналу має нульовий вихідний опір, і ємність навантаження рівна нулю. При значному вихідному опорі джерела сигналу напруга Uвых ділиться між цим опором і резистором R. Тому цю схему не слід застосовувати у випадку, якщо джерелом сигналу є джерело струму, наприклад, фотодіод. При суттєвій ємності навантаження, підчас розряду цієї ємності при розмиканні ключа S вихідна напруга ключа знижується до нуля досить довго.
Рис. 2.1. Схеми ключів
У схемі паралельного ключа (рис. 2.1б) Uвых = Uвх при розімкненому ключі, якщо вхідний опір навантаження ключа нескінченно великий. Якщо ж він порівнянний з опором резистора R, то на резисторі падатиме частина вихідної напруги джерела сигналу. За наявності ємнісного навантаження буде відносне повільно встановлюватися вихідна напруга після розмикання ключа.
Послідовно-паралельний ключ, показаний на рис. 2.1в, не має недоліків двох попередніх схем. У будь-якому робочому стані він має вихідний опір, близький до нуля.
Різновиди аналогових ключів, показані на рис. 2.1, можуть бути реалізовані на електронних елементах з керованим опором, що має мале мінімальне і високе максимальне значення. Для цих цілей можуть використовуватися діодні мости, біполярні і польові транзистори. Внаслідок неідеальності, вони вносять погрішності в оброблювані сигнали. Джерелами погрішностей електронних аналогових ключів є:
•ненульовий прохідний опір електронного ключа у включеному стані і кінцева його величина у вимкненому;
•залишкове падіння напруги на замкненому ключі, тобто наявність напруги на ключі за відсутності через нього струму;
•нелінійна залежність опору ключа від напруги (струму) на інформаційних управляючих входах;
•взаємодія управляючого і комутованого сигналів;
•обмежений динамічний діапазон (по амплітуді і по знаку) комутованих струмів і напруг.
Ключі на біполярних транзисторах і, особливо, на діодних мостах споживають значну потужність по ланцюгах управління і мають порівняно велику залишкову напругу, яка становить одиниці мілівольт, що вносить помітну погрішність при комутації слабких сигналів (менше 100 мВ). Такі ключі мають високу швидкодію (час перемикання діодних ключів, виконаних на діодах Шоттки, досягає 1 нс) і застосовуються для побудови надшвидкісних ключів. Ширше застосування знайшли ключі на польових транзисторах.
Як відомо, польовий транзистор у області малих напруг стік-витік поводиться як резистор, опір якого може змінюватися у багато разів при зміні управляючої напруги затвор-витік UЗИ. На рис. 2.2а зображена спрощена схема послідовного ключа на польовому транзисторі з управляючим p-n-переходом.
Рис. 2.2. Послідовний ключ на польовому транзисторі з управляючим p-n-переходом
Якщо в цій схемі управляючу напругу Uупр встановити меншою, ніж мінімально можлива вхідна напруга, принаймні на величину порогової напруги транзистора, транзистор закриється і вихідна напруга стане рівною нулю. Для того, щоб транзистор був відкритий, напруга затвор-витік UЗИ слід підтримувати рівною нулю, що забезпечує мінімальний опір каналу. Якщо ж ця напруга стане більше нуля, управляючий p-n-перехід відкриється, і вихід ключа виявиться з'єднаним з ланцюгом управління. Рівність нулю UЗИ непросто реалізувати, оскільки потенціал витоку змінюється згідно зміні вхідного потенціалу. Найбільш простий шлях подолання цієї трудності показаний на рис. 2.2б.
Якщо напругу Uупр встановити більшою, ніж максимально можлива вхідна напруга ключа, діод VD закриється і напруга UЗИ буде, як це і потрібно, рівна нулю. При достатньо великій негативній управляючій напрузі діод буде відкритий, а польовий транзистор закритий. У такому режимі роботи через резистор R1 тече струм від джерела вхідного сигналу в ланцюг управляючого сигналу. Це не заважає нормальній роботі схеми, оскільки вихідна напруга ключа в цьому режимі рівна нулю. Порушення нормального режиму роботи такої схеми може відбутися лише у випадку, якщо ланцюг вхідного сигналу містить розділовий конденсатор, який при закритому транзисторі ключа заряджатиме до негативного рівня управляючої напруги.
Проблеми подібного роду не виникають, якщо в якості ключа використовувати польовий транзистор з ізольованим затвором
(МОП-транзистор). Його можна переводити у відкритий стан, подаючи управляючу напругу більшу, ніж максимальна вхідна позитивна напруга, причому і в такому режимі роботи струм затвора буде рівний нулю. Таким чином, в цій схемі ключа відпадає необхідність у діоді і резисторі R1. Схема ключа на МОП-транзисторі наведена на рис. 2.3а. Тут ключем є n-канальний МОП-транзистор збагаченого типу, що не проводить струм при UЗИ ≤ 0.
Рис. 2.3. Послідовні ключі на МОП-транзисторах
У цьому стані опір каналу, як правило, досягає одиниць або навіть десятків ГОм, і сигнал не проходить через ключ. Подача на затвор відносно витоку значної позитивної напруги приводить канал у провідний стан з типовим опором від 20 до 200 Ом для транзисторів, використовуваних як аналогові ключі.
Наведена на рис. 2.3а схема працюватиме при позитивних вхідних сигналах, які принаймні на 5 В менші, ніж Uупр; при вищому рівні сигналу напруга затвор-витік буде недостатньою, щоб утримати транзистор у відкритому стані (опір каналу у відкритому стані R0 почне зростати); негативні вхідні сигнали викличуть включення транзистора при заземленому затворі. Тому, якщо треба перемикати сигнали обох полярностей (наприклад, у діапазоні від –10 до +10 В), то можна використовувати таку ж схему, з'єднавши підкладку з джерелом –15 В і подаючи на затвор напруги +15 В (включено) і
–15 В (виключено).
Кращими характеристиками володіють ключі на комплементарних МОП-транзисторах (КМОП-ключі), рис. 2.3б. Тут на підкладку транзистора VT1 подається позитивна живляча напруга +Uпит, а на підкладку транзистора VT2 –негативна живляча напруга –Uпит. При високому рівні сигналу управляюча напруга на затворі n-канального транзистора VT2 практично рівна +Uпит. У такому разі транзистор VT2 проводить сигнали з рівнями від -Uпит до +Uпит без декількох вольт (при вищих рівнях сигналу R0 починає катастрофічно зростати). В цей час напруга на затворі VT1 практично рівна –Uпит. Транзистор VT1 пропускає сигнали з рівнями від +Uпит до значення на декілька вольт вище за –Uпит. Таким чином, всі сигнали в діапазоні від +Uпит до –Uпит проходять через двополюсник з малим опором (рис. 2.4). При перемиканні сигналу на низький рівень, управляюча напруга на затворі n-канального транзистора VТ2 встановлюється близькою до –Uпит, а напруга на затворі p-канального транзистора VТ1 встановлюється близькою +Uпит. Тоді, при –Uпит < Uвх < +Uпит, обидва транзистори замкнені, і ланцюг ключа розімкнений. В результаті виходить аналоговий перемикач для сигналів у діапазоні від низької напруги живлення ключа до високої напруги його живлення. Ця схема працює в двох напрямках – будь-який її затиск може служити вхідним. Вона є основою практично для всіх ІМС аналогових ключів, що випускаються в даний час.
Рис. 2.4. Залежність опорів каналів транзисторів КМОП-ключа від Uвх
Опір у відкритому (включеному) стані. Ключі КМОП, що працюють від відносно високої напруги живлення (наприклад +15 В), матимуть малі значення R0 у всьому діапазоні значень вхідного сигналу, оскільки завжди той або інший провідний транзистор матиме прямий зсув затвора, рівний, принаймні, половині напруги живлення. Але при меншій напрузі живлення опір ключа R0 зростатиме, і максимум його має місце при середньому рівні сигналу між високою і низькою напругами живлення.
На рис. 2.5 наведені залежності R0 ключа мікросхеми ключа MAX312 від напруги вхідного сигналу при однополярному живленні. При зменшенні Uпит опір польового транзистора у включеному стані значно збільшується (особливо поблизу точки Uвх = Uпит/2). Це пояснюється тим, що для польового транзистора збагаченого типу порогова напруга складає декілька вольт, і для досягнення малих значень R0 потрібна напруга затвор-витік не менша, ніж 5...10 В. Як видно з рис 2.5, опір відкритого ключа при номінальній напрузі живлення, близький 10 Ом, при Uпит = 2,7 В досягає 700 Ом.
Рис. 2.5. Залежність R0 КМОП-ключа від вхідної напруги при однополярному включенні для різних значень живлячої напруги
Є різні прийоми, які розробники ІМС аналогових ключів застосовують, щоб зберегти значення R0 малим і приблизно постійним у всьому діапазоні зміни вхідних сигналів. Це потрібно для зменшення нелінійних спотворень вхідного сигналу. Для цього схему управління ключем виконують так, щоб напруга n-підкладки "стежила" за напругою вхідного сигналу. Застосування транзисторів з малою напругою відсічення і підвищеною крутизною дозволяє побудувати ключі з досить малим R0 при низькій живлячій напрузі. Так наприклад, одноканальний ключ ADG701 при однополярному живленні +5 В має опір R0 не більше 2,5 Ом. На рис. 2.6 наведені залежності опору відкритого ключа низьковольтної мікросхеми МАХ391 від напруги вхідного сигналу для різних живлячих напруг при однополярному (а) і різнополярному (б) живленні.
(а)
(б)
Рис. 2.6. Графіки залежностей R0 ключа ІМС MAX391 від вхідної напруги при однополярному (а) і різнополярному (б) включенні для різних значень живлячої напруги
Застосування КМОП-логіки для управління транзисторами ключів дає ще один важливий позитивний ефект – у спокої ці мікросхеми практично не споживають енергії.
Струм витоку каналу. У закритому стані канал МОП-ключа володіє дуже високим динамічним опором (до сотень ГОм) при напрузі стік-витік більше 0,1 В. Тому його приймають джерелом струму із струмом Iут. Напрям протікання струму витоку через закритий КМОП-ключ визначається полярністю прикладеної напруги. Типове значення Iут для широкої номенклатури аналогових ключів і мультиплексорів складає величину близько 1 нА. Проте випускаються і ключі із пониженим струмом витоку. Наприклад у одноканального ADG431 типовий струм витоку – 0,05 нА. При дуже низьких напругах на закритому ключі опір каналу зменшується, але залишається все-таки досить високим.
Міжелектродні ємності. МОП-ключі володіють наступними ємностями (рис. 2.7): між входом і виходом (ССИ), між каналом і загальною точкою схеми (СС, СИ), між затвором і каналом (СЗ) і між ключами в межах одного кристала. Як правило, наявність цих ємностей погіршує характеристики ключів.
Рис. 2.7. Ємності МОП-ключа
ССИ(ємність вхід-вихід). Наявність цієї ємності приводить до проходження сигналу через розімкнений ключ, який на високих частотах зростає. На рис. 2.8. показаний цей ефект для мікросхеми чотириканального аналогового ключа типу МАХ312. Тут крива 1 є амплітудно-частотною характеристикою послідовного ключа, навантаженого на резистор 50 Ом ву замкненому стані. Крива 2 – фазочастотна характеристика для цього ж випадку. Крива 3 представляє амплітудно-частотну характеристику ключа в розімкненому стані при тому ж навантаженні. Як видно, навіть при навантаженні 50 Ом крізне проходження сигналу на високих частотах стає значним. При навантаженні 10 кОм ситуація з крізною передачею сигналу, звичайно ж набагато гірша.
Рис. 2.8. Частотні характеристики послідовного ключа на ІМС МАХ312
У більшості низькочастотних застосувань ємнісне крізне проходження сигналу через розімкнений ключ не створює проблем. Якщо вони виникають, хорошим рішенням є використання пари включених каскадний ключів (рис. 9а) або, що ще краще, використання послідовно-паралельного ключа (рис. 9б).
Послідовний каскад подвоює ослаблення (у децибелах) ціною додаткового дільника напруги, тоді як послідовно-паралельна схема зменшує пряме проходження, знижуючи ефективний опір навантаження до R0, коли послідовний ключ розімкнений. Багато фірм випускають ІМС аналогових ключів, що містять по два нормально замкнених (тобто замкнених при низькому рівні управляючого сигналу) і два нормально розімкнені ключі. Це, наприклад, МАХ314 DG413, 590КН4 та ін. Ці мікросхеми дозволяють найпростіше побудувати послідовно-паралельні ключі.
Рис. 2.9. Схеми, що забезпечують поліпшені характеристики ключів у розімкненому стані
СС, СИ(ємність відносно землі). Шунтуюча на землю ємність приводить до згаданого раніше спаду частотної характеристики (криві 1 і 2 на рис. . Спільно з опором джерела сигналу і опором замкненого ключа R0 ці ємності утворюють фільтр нижніх частот. Ситуація посилюється при високоомному джерелі сигналу.
Ємність між ключами. Оскільки звичайно на кристалі розміщується декілька ключів, то не слід дивуватися при появі наведень між каналами. Винуватицею може бути ємність між каналами, що складає величину близько 0,5 пФ. Ефект посилюється в міру зростання частоти і збільшення імпедансу джерела сигналу.
Динамічні перешкоди. Під час переходу від включеного стану до виключеного і назад у аналогових ключах на польових транзисторах можуть виникати неприємні ефекти. Стрибок управляючої напруги, поданий на затвор, викликає зміну заряду в ланцюзі каналу. Це найбільш суттєво при рівнях сигналів, що відповідають розімкненому ключу. Подібні ефекти виникають і в мультиплексорах підчас зміни адреси каналу.
Зважаючи на важливість цієї проблеми, розглянемо її детальніше. На рис. 2.10 зображена форма вихідного сигналу, яку можна побачити на виході n‑канального МОП-ключа, схема якого показана на рис. 2.3а, при нульовому рівні вхідного сигналу і навантаженні, що складається з резистора опором 10 кОм і паралельного йому конденсатора з ємністю 20 пФ. Ці сплески і провали викликані перенесенням заряду в канал через ємність СЗ, що має величину близько 5 пФ, (рис. 2.7) при зміні напруги затвора. Ця напруга робить різкий скачок від одного рівня живлення до іншого, переносячи заряд
q = + СЗ (UЗИ.выс – UЗИ.низ).
Рис. 2.10. Викиди вихідної напруги при комутації ключа
Відмітимо, що величина переносимого заряду залежить тільки від повної зміни напруги затвора і не залежить від часу, за який ця зміна відбувається. Сповільнення зміни сигналу на затворі викликає меншу за амплітудою, але довшу динамічну перешкоду з тією ж площею під графіком. Фільтрація вихідного сигналу ключа фільтром нижніх частот дає той же ефект. Такі заходи можуть допомогти в тих випадках, коли важливо добитися малого піку амплітуди динамічної перешкоди, проте в смислі виключення пропускання управляючої напруги із затвора на вихід вони неефективні. Можна спробувати частково компенсувати заряд перемикання шляхом добавки інвертованого сигналу затвора через компенсуючий підстроєчний конденсатор малої ємності СК (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Компенсація зряду перемикання
Ємність затвор-канал розподілена по всій довжині каналу, а це значить, що частина заряду перемикання (перешкоди) потрапляє на вхід ключа, викликаючи перехідні процеси на виході джерела сигналу. Ці процеси будуть мінімальні, якщо джерело сигналу володіє нульовим вихідним опором, тобто є джерелом Е.Р.С. Зменшення повного опору навантаження також приводить до зниження динамічної перешкоди, але при цьому навантажується джерело комутованого сигналу і вносяться додаткові статична погрішність і нелінійність за рахунок кінцевого і нелінійного R0. Зменшення ємності затвор-канал за рахунок скорочення розмірів інтегрального МОП-транзистора зменшує перехідні перешкоди при перемиканні ключа, але за це доводиться платити збільшенням R0.
На рис. 2.12 наведені криві перенесення заряду для ключа з управляючимp-n-переходом (див. рис. 2.2). Як видно, для такого типу ключа існує сильна залежність величини динамічної перешкоди від сигналу, оскільки діапазон зміни напруги затвора пропорційний різниці між рівнем вхідного сигналу і рівнем негативної напруги живлення. Добре збалансовані КМОП-ключі мають відносно малу динамічну перешкоду, оскільки заряди, що надходять у канал, у комплементарних МОП-транзисторів прагнуть компенсувати один одного (коли на одному затворі напруга зростає, на другом – падає).
Залежність заряду перемикання ключа на польовому транзисторі з управляючим р-п-переходом від Uвх
На рис. 2.13 наведені залежності заряду перемикання від вхідної напруги для інтегрального КМОП-ключа МАХ312 при двохполярному живленні +15 В (крива А) і однополярному +12 В (крива В). Щоб дати уявлення про масштаб цих ефектів, скажемо, що заряд 30 пКл створює скачок напруги в 3 мВ на конденсаторі ємністю 0,01 мкФ. Для багатьох застосувань це дуже суттєва величина.
Рис. 2.12. Залежність заряду перемикання КМОП-ключа МАХ312 від вхідної напруги
Швидкодія. Ключі на польових транзисторах мають опір у відкритому стані R0 від 10 Ом до сотень Ом. У комбінації з ємністю підкладки і паразитними ємностями цей опір утворює фільтр нижніх частот, що обмежує область частот сигналів, які пропускаються, значеннями близько 10 Мгц і навіть нижче. Польові транзистори з меншим R0 мають звичайно більшу ємність, так що виграшу в швидкості наростання вихідного сигналу вони не дають. Значна частка обмеження частотної характеристики викликана елементами захисту – послідовними струмообмежуючими резисторами і шунтуючими діодами, застосовуваними майже у всіх КМОП-схемах. Спеціальні високошвидкісні ключі, наприклад, МАХ453 фірми Maxim мають типову смугу пропускання до 50 Мгц і призначені для передачі сигналів відеочастоти амплітудою +/– 1 В від низькоомних джерел (звичайно 75 Ом) на узгоджене навантаження.
Час перемикання. Тривалість перехідного процесу включення і виключення (tвкл і tвикл) ключа на МОП-транзисторах визначається часом перезаряджання ємності затвор-канал. Зменшення цієї ємності пов'язане із зростанням R0, тому звичайно підвищення швидкості перемикання добиваються зниженням вихідного опору ланцюгів, що здійснюють управління напругою на затворі комутуючого МОП-транзистора. При цьому зростає струм, споживаний схемою від джерела живлення. Характерна величина часу перемикання для КМОП-ключів складає близько 0,2 мкс при струмі споживання в статичному стані менше 1 мкА.
Отже, польовий транзистор – це напівпровідниковий прилад, підсилювальні властивості якого зумовлені потоком основних носіїв, що протікає через провідний канал і керований електричним полем. На відміну від біполярних робота польових транзисторів заснована на використанні основних носіїв заряду в напівпровіднику. За конструктивним виконанням і технологією виготовлення польові транзистори можна розділити на дві групи: польові транзистори з управляючим р-п-переходом і польові транзистори з ізольованим затвором.
Польовий транзистор як елемент схеми є активним несиметричним чотириполюсником, у якого один із затисків є загальним для ланцюгів входу і виходу. Залежно від того, який з електродів польового транзистора підключений до загального виведення, розрізняють схеми: із загальним витоком і входом затвор; із загальним стоком і входом на затвор; із загальним затвором і входом на витік.
Польові транзистори мають вольт-амперні характеристики, подібні ламповим, і володіють всіма принциповими перевагами транзисторів. Це дозволяє застосовувати їх у схемах, де в більшості випадків використовувалися електронні лампи, наприклад, у підсилювачах постійного струму з високоомним входом, в джерельних повторювачах з особливо високоомним входом, у електрометричних підсилювачах, різних реле часу, RS-генераторах синусоїдальних коливань низьких і інфранизьких частот, у генераторах пилкоподібних коливань, підсилювачах низької частоти, що працюють від джерел з великим внутрішнім опором, в активних RC-фільтрах низьких частот. Польові транзистори з ізольованим затвором використовують у високочастотних підсилювачах, змішувачах, ключових пристроях.
Аналоговий ключ служить для перемикання електричних сигналів, що безперервно змінюються. Якщо ключ знаходиться в змозі "включено", його вихідна напруга повинна по можливості точно дорівнювати вхідному; якщо ж ключ знаходиться в змозі "вимкнено", вихідна напруга повинна бути якомога ближче до нуля або, в усякому разі, повинно якомога менше залежати від вхідного.
Існують різні схемні рішення ключів, що задовольняють вказаним умовам. Їх принцип дії показаний на мал. 1 на прикладі механічних (контактних) перемикачів.
Ключі на біполярних транзисторах і, особливо, на діодних мостах споживають значну потужність по ланцюгах управління і мають порівняно велику залишкову напругу, яка становить одиниці мілівольт, що вносить помітну погрішність при комутації слабких сигналів (менше 100 мВ). Такі ключі мають високу швидкодію (час перемикання діодних ключів, виконаних на діодах Шоттки, досягає 1 нс) і застосовуються для побудови надшвидкісних ключів. Ширше застосування знайшли ключі на польових транзисторах.
Цей сайт присвячений інформатики та ІКТ в освіті. При його створенні ставилося завдання зібрати в одному місці велику кількість цікавого матеріалу з даної теми. А також, дати можливість вчителям інформатики і педагогам, що використовують комп'ютер на своїх уроках і позакласних заходах, обмінятися досвідом, методичними матеріалами, комп'ютерними програмами та ін. Ще один напрям діяльності сайту - розробка та надання ОУ зручного і надійного інструменту для створення єдиного-інформаційного простору школи, міста, району. Вдалося нам це чи ні - судити Вам.
. Спільно з опором джерела сигналу і опором замкненого ключа R0 ці ємності утворюють фільтр нижніх частот. Ситуація посилюється при високоомному джерелі сигналу.
