Ключ на полевых транзисторах: схемы, применение, типы

Что такое ключ на транзисторах?

Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации аналоговых и цифровых сигналов. В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющим p-n-переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В последнее время полевые транзисторы все чаще используют в силовой импульсной электронике. Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

Однако минимальное сопротивление включенного ключа на полевом транзисторе может быть больше, чем ключа на биполярном транзисторе (т. е. наклон самой круто поднимающейся характеристики полевого транзистора может быть меньше, чем наклон соответствующей характеристики на биполярном транзисторе). Поэтому при значительном токе падение напряжения на полевом транзисторе может быть больше, чем падение напряжения на биполярном транзисторе.

Иногда остаточным напряжением на ключе называют не то напряжение, которое соответствует нулевому току, а то, которое соответствует некоторому значительному току ключа.

Это нужно иметь в виду, чтобы понять смысл на первый взгляд парадоксального утверждения, встречающегося у некоторых авторов и состоящего в том, что остаточное напряжение ключей на полевых транзисторах больше, чем ключей на биполярных транзисторах, и поэтому «полевой транзистор обладает худшими ключевыми свойствами по сравнению с биполярным».

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления. Ключи на полевых транзисторах часто менее быстродействующие в сравнении с ключами на биполярных транзисторах.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы (рис. 3.18). На схеме изображена емкость нагрузки С_н, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и u_си= E_с. Если напряжение u_вх больше порогового напряжения U_{зи.порог} транзистора, то он открывается и напряжение u_си уменьшается.

Напряжение на ключе в его включенном состоянии U_вкл зависит от сопротивления стока R_c, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением R_c, емкостью С_н и частотными свойствами транзистора.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором (с динамической нагрузкой) (рис. 3.19). Отметим, что при использовании интегральной технологии такой ключ, как ни странно на первый взгляд, изготовить проще в сравнении с рассмотренным выше (ССЫЛКА), имеющим нагрузочный резистор. Транзистор Т₁ называют активным, а транзисторТ₂ — нагрузочным. https://www.youtube.com/watch?v=7e5Xco4_5c4 Вначале рассмотрим закрытое состояние ключа. При этом u_вх < U_зи.nopoгl , где U_зи.nopoгl — пороговое напряжение для транзистора T₁. В этом случае транзистор Т₁ закрыт и через оба транзистора протекает очень малый ток (обычно не более 1 нА). При этом напряжение u_си1близко к напряжению Е_с, а напряжение u_си1 близко к нулю.

В рассматриваемом состоянии транзисторТ₂ также закрыт, хотя напряжение между затвором и истоком этого транзистора положительно (очевидно, что u_зи2 = u_си2). Но соотношение между параметрами транзисторов обеспечивается именно такое, чтобы в закрытом состоянии ключа выполнялось соотношение u_си1= Е_с.

По крайней мере очевидно, что напряжение u_си2не может быть больше порогового напряжения U_зu.nopoг2 для транзистора Т₂, иначе бы транзистор Т₂ открылся и напряжение на нем уменьшилось. Теперь рассмотрим открытое состояние ключа. При этом u_вх> u_{зи.порог1}. Транзистор Т₁ открыт и напряжение u_си1 близко к нулю, а напряжение на транзисторе Т₂ близко к напряжению питания. В рассматриваемом состоянии транзистор Т₂ также открыт, при этом u_зи2= u_си2= Е_с. Но транзисторы конструируют таким образом, чтобы удельная крутизна транзистора Т₂ была намного меньше, чем удельная крутизна транзистора T₁ .Именно поэтому в открытом состоянии ключа u_си1 = 0 (часто это напряжение лежит в пределах 50…100 мВ). Так как удельная крутизна транзистора Т₂ мала, ток, протекающий через открытый ключ, сравнительно мал.

Схема цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах

Изобразим схему цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах (комплементарный МДП-ключ, КМОП-ключ) (рис. 3.20). Здесь использованы взаимодо­полняющие друг друга (комплементарные) транзисторы: транзистор Т, с каналом n-типа и транзистор Т₂ с каналом p-типа. Обозначим через U_{зи.порог1} и U_{зи.порог2} пороговые напряжения для транзисторов соответственно Т₁ и Т₂. Стоит обратить внимание, что каждое из указанных пороговых напряжений является положительным.

Пусть u_вх= 0, тогда, очевидно, транзистор T₁ закрыт, а транзистор Т₂ открыт. При этом u_сн1= Е_с, u_ис2= 0. Если u_вх> U_{зи.порогl}, тогда транзистор Т₁ открыт. Пусть, кроме того, u_вх> Е_с — U_{зи.порог2}, тогда транзистор Т₂ закрыт. При этом u_си1= 0, u_ис2= Е_с.

Надо отметить, что если Е_с < U_{зи.порог1} + U_{зи.порог2}, то при изменении входного сигнала не возникает ситуация, когда оба транзистора включены. Но если данное неравенство не выполняется, то такая ситуация будет иметь место при некотором промежуточном напряжении u_вх, и тогда через транзисторы протекает так называемый сквозной ток.

Как следует из изложенного, в каждом из двух установившихся режимов, т. е. и в открытом, и в закрытом состоянии, ключ практически не потребляет ток от источника питания. Это первое важное достоинство комплементарного ключа. Вторым важным достоинством комплементарного ключа является резкое отличие выходного напряжения в открытом состоянии ключа (единицы микровольт и менее) и выходного напряжения в закрытом состоянии (это напряжение меньше напряжения питания всего лишь на единицы микровольт и менее). Это обеспечивает высокую помехоустойчивость цифровых схем на комплементарных ключах.

Третьим важным достоинством комплементарного ключа является его повышенное быстродействие. Оно может быть на порядок больше, чем у двух других ранее изученных ключей на полевых транзисторах. Повышенное быстродействие объясняется тем, что как разряд емкости С_н, так и ее заряд происходит через соответствующий открытый транзистор (емкость разряжается через транзистор T₁ и заряжается через транзистор Т₂).

При этом в начале заряда или разряда через соответствующий транзистор протекает большой ток, который быстро изменяет напряжение емкости. Естественно предположить, что входной сигнал поступает от такого же ключа, т. е. или u_вх= , или u_вх= Е_с. В этом случае, чем больше напряжение питания Е_с, тем больше отпирающий сигнал на соответствующем транзисторе и тем больше его начальный ток (к примеру, при u_вх= 0, u_из2= Е_с). Поэтому при увеличении напряжения питания быстродействие комплементарного ключа увеличивается.

Описанные достоинства, а также отработанность технологии изготовления явились причиной широкого использования КМОП-ключей.

Рассмотрим простейшую схему аналогового ключа на МДП-транзисторе (рис. 3.21). Эта схема получается из предыдущей при замене транзистора Т₁ резистором нагрузки, а источника питания — источником входного сигнала.

Транзистор этого аналогового ключа работает подобно тому, как работает транзистор Т₂ рассмотренного комплементарного ключа. Например, для отпирания транзистора необходимо, чтобы напряжение u_упр было малым. Ключ может коммутировать как положительное, так и отрицательное входное напряжение.

Двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах

Рассмотрим теперь двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах (рис. 3.22). Ключ предназначен для передачи напряжения u_ас вывода А на вывод В или напряжение u_b с вывода В на вывод А. Предполагается, что эти напряжения находятся в пределах от 0 до +Е_n. Транзисторы Т₁ и Т₂ образуют рассмотренный выше комплементарный ключ. Двунаправленный ключ открыт, когда u_упр= +Е_n. В этом случае по крайней мере один из транзисторов Т₃ и Т₄ открыт. Ключ закрыт, когда u_упр= 0.

Ключи на полевых транзисторах с изолированным затвором входят в состав микросхем серий 168, 547 и др., а на комплементарных транзисторах — в состав микросхем серий 590, 591, 176, 561, 1564.