2.3. Ключи на полевых транзисторах

Наиболее часто такие ключи реализуются на полевых транзисторах типа МДП (металл – диэлектрик – полупроводник); когда в подобных транзисторах диэлектриком

является окисел (двуокись кремния), их называют МОП-транзисторами (металл – окисел – полупроводник).

От биполярных МДП-транзисторы выгодно отличаются весьма большим входным сопротивлением по постоянному току и меньшей площадью, занимаемой на подложке при интегральном исполнении.

1) Простейший ключ на МДП-транзисторе с индуцированным каналом р-типа изображен на рис. 2.8, а. Сопротивление резистора RС имеет значение десятков килоом. Если напряжение uУПР между затвором З и источником U менее отрицательно, чем пороговое (рис. 2.8, б), транзистор заперт и стоковое напряжение uС близко к – ЕС. Когда отрицательным управляющим импульсом транзистор отпирается, рабочая точка оказывается в крутой области стоковых характеристик (рис. 2.8, в), где остаточное напряжение UОСТ на транзисторе мало.

2) Схема последовательного ключа на МДП-транзисторе изображена на рис. 2.9. Управляющим напряжением uУПР транзистор устанавливается в открытое или запертое состояние и соответственно замыкает или размыкает участки схемы, расположенные на рис. 2.9 левее и правее ключа.

3) Микросхема пятиканального ключа имеет аналогичную структуру (рис. 2.10). Коммутируемые сигналы подаются на входы 1 – 5, а управляющее напряжение – на один из входов 6 – 10. Если uУПР подается, например, на вход 8, то к выходу 11 через транзистор Т3 будет подключен сигнал с входа 3. Изображенные на рис. 2.10 стабилитроны ограничивают напряжения на затворах, чтобы избежать пробоя диэлектрика, изолирующего каждый затвор.

4) В интегральных микросхемах ключей роль резисторов RC (см. рис. 2.8, а) выполняют МДП-транзисторы. Это позволяет уменьшить площадь, занимаемую ключом, обеспечивает большую технологичность микросхемы и улучшает ее параметры. Структура такого ключа изображена на рис. 2.11. Транзистор Т1 является управляющим, а Т2 – нагрузочным; последний постоянно отперт.

Ключ нормально функционирует, если сопротивление отпертого транзистора Т1 много меньше сопротивления отпертого транзистора Т2, что обеспечивается при выполнении ключа.

Если затвор Т2 соединить со стоком, то транзистор работает на пологих участках стоковых характеристик, где представляет значительное сопротивление.

Если же на затвор Т2 подать напряжение U3 > ЕС, то транзистор работает на крутых участках стоковых характеристик и представляет существенно меньшее сопротив ление. При этом емкость, шунтирующая транзистор Т1 после его запирания, будет заряжаться через Т2 быстрее. Однако данный вариант предусматривает дополнительный вывод затвора Т2, что при интегральной технологии нежелательно.

5) Схема ключа на МДП-транзисторах с индуцированными каналами разных типов проводимостина дополняющих («комплементарных») КМДП-транзисторах приведена на рис. 2.12. Управляющее напряжение подается на объединенные затворы, подложки соединены с истоками. Между затвором и истоком управляющего транзистора Т1 действует uУПР (принимающее только положительное значение), между аналогичными выводами нагрузочного транзистора Т2 приложено напряжение uУПРЕП. Транзистор Т1 с каналом n-типа отпирается, когда положительное напряжение uЗИ1 превышает положительное пороговое напряжение UПОРn; транзистор Т2 с каналом р-типа отпирается, если uЗИ2 становится более отрицательным, чем отрицательное пороговое напряжение UПОРр.

Когда uУПР < uПОРn транзистор Т1 заперт, а транзистор Т2 открыт, так как uЗИ2 =
u
УПРЕП оказывается по абсолютному значению больше UПОРр. При uУПР > UПОРn Т1 открывается, а Т2 запирается, так как теперь uЗИ2 оказывается менее отрицательным, чем UПОРр. Таким образом, Т2 является регулируемой нагрузкой: когда Т1 открыт, Т2 заперт и имеет очень большое сопротивление; когда Т1 заперт, Т2 открыт и имеет небольшое сопротивление.

В стационарных состояниях транзисторы Т1 и Т2 открыты попеременно, благодаря чему через них проходит очень малый ток. Поэтому потребляемая ключом мощность незначительна. По существу, она расходуется лишь на перезаряд емкостей при переключениях; с увеличением частоты переключения потребляемая мощность возрастает.

Быстродействие ключей на КМДП-транзисторах на порядок выше, чем других рассмотренных ключей на полевых тран­зисторах, но меньше чем на биполярных, и ограничено в основном емкостями самих транзисторов.