Ключи на полевых транзисторах

Ключи на полевых транзисторах, схемы которых представлены на рис.16.6, бывают с резистивной нагрузкой (рис.16.6,а,б); динамической нагрузкой (рис. 16.8,а), когда транзистор выполняет роль резистора; на комплиментарных парах (рис7.8,б), т.е. на транзисторах с разными типами проводимости каналов.

В ключах с резистивной нагрузкой (см. рис.7.7.,а,б), когда транзистор закрыт, выходное напряжение стремится к напряжению источника питания (уровень логической единицы U¹). Если транзистор открыт входным сигналом, то на открытом транзисторе остаточное напряжение порядка 0,02…0,04 В.

а б Рис.16.6.Ключи с резистивной нагрузкой

Для уменьшения остаточного напряжения вместо резистора R_c используют транзистор (см. рис. 7.8,а), затвор которого может соединяться с истоком или стоком.

В этой схеме ключа роль динамической нагрузки выполняет транзистор VT2. В запертом состоянии ключа, когда на затвор транзистора VT1 подано напряжение Е₃^- < U₀, положение рабочей точки определяется пересечением обратных характеристик стоковых p-n-переходов активного (VT1) и нагрузочного (VT2) транзисторов и максимальное выходное напряжение близко к напряжению источника стокового питания U_max ≈ Е_C.

В открытом состоянии ключа, когда на затвор подано напряжение Е₃⁺ > U₀, рабочая точка В лежит на квазилинейном участке характеристики транзистора VТ1, на котором остаточное напряжение U_ост является ничтожно малым. Если бы в открытом состоянии нагрузочный транзистор был закрыт, то выходное напряжение стремилось бы к нулю, и ключ не потреблял бы энергии в статических состояниях.

а б Рис. 16.7 Ключи с динамической нагрузкой

Это достигается на ключах на комплементарных транзисторах (см. рис16.7,б). Транзистор VT2 – ключевой, а транзистор VT1 – нагрузочный. Затворы обоих транзисторов объединены и являются входом ключа. При нулевом потенциале на затворах транзистор VT2 закрыт, а транзистор VT1 открыт и работает в линейной области. Напряжение на выходе ключа практически равно U_ип. При подаче на затворы напряжения близкого к U_ип транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. На выходе формируется уровень напряжения, близкий к потенциалу земли.

Характерной особенностью комплементарных ключей (рис16.8.б) является то, что они практически не потребляют мощности как в закрытом, так и в открытом состоянии. Однако устойчивые состояния различаются чётко по уровню выходного напряжения. При низком значении Е₃⁺, когда транзистор VT1 заперт, напряжение U_сиг на открытом транзисторе VТ2 ничтожно мало и, следовательно, выходное напряжение U_max≈Е_C. При высоком значении Е₃⁺ открыт транзистор VT1, и напряжение на нём мало, что и определяет величину остаточного напряжения U_ост ключа. Быстродействие комплиментарных ключей почти на порядок выше,чем у двух других типов ключей на МДП-транзисторах и сохраняется при уменьшении напряжения питания. Время переключения можно свети к минимальному,применив транзисторы в комплементарной паре с одинаковым пороговым напряжением.

Для всех трёх типов ключей на МДП-транзисторах главным путем повышения быстродействия является уменьшение суммарной ёмкости, включающей ёмкость затвор-канал, ёмкость сток-подложка, ёмкости затворов относительно областей истока и стока, обусловленные перекрытием затвора и т.д.