На рис. 3.17 показаны характеристики ПТ с p‑n ‑переходом (зависимость тока стока от UСИ при различных (UЗИ) как в нормальном («насыщенном») режиме, так и в «линейной» области малых значений напряжения сток‑исток. В начале этой главы мы привели также эквивалентную пару графиков для МОП‑транзисторов (рис. 3.2). Зависимость I С ‑ U СИ приблизительно линейна в области UСИ, меньших UЗИ – UП, и кривые могут быть продолжены в обе стороны, так что устройство можно использовать в качестве управляемого напряжением резистора для малых сигналов любой полярности. Из формулы, выражающей I С через UЗИ в линейной области (разд. 3.04) легко найти, что отношение IС / UЗИ равно 1/ R СИ = 2k[(UЗИ – UП) – UСИ /2]. Последний член в этом выражении представляет собой нелинейность, т. е. отклонение от резистивности характеристики (сопротивление резистора не должно зависеть от напряжения). Однако при напряжениях стока существенно меньших напряжения отсечки (при UСИ ‑> 0) этот последний член становится совершенно незначимым, и ПТ ведет себя приблизительно как линейное сопротивление RСИ ~= 1/[2k(UЗИ – UП ]. Поскольку зависящий от конкретного устройства параметр k – не та количественная характеристика, которую нам хотелось бы знать, полезнее записать RСИ ~= R0 (UЗ0 – UП)/(UЗ – UП), где сопротивление RСИ при любом напряжении затвора можно определить через известное сопротивление R0, измеренное при некотором напряжении затвора UЗ0.
Упражнение 3.5 . Выведите предыдущую «масштабную» формулу.
Обе приведенные выше формулы показывают, что проводимость (равная 1/ RСИ) пропорциональна величине, на которую напряжение затвора превышает напряжение отсечки. Другой полезный факт состоит в том, что RСИ = 1/ gm, т. е. сопротивление канала в линейной области есть величина, обратная крутизне в области насыщения. Это удобная в пользовании зависимость, поскольку gm ‑ параметр, который почти всегда приводится в паспорте ПТ.
Упражнение 3.6. Покажите, что R си = 1/g m, выведя крутизну из приведенной в разд. 3.04 формулы для тока стока в области насыщения.
Как правило, сопротивление, которое можно получить с помощью ПТ, изменяется от нескольких десятков ом (даже от 0,1 Ом для мощных МОП‑транзисторов) до бесконечности. Типичным применением ПТ в качестве сопротивления является использование его в схеме автоматической регулировки усиления (АРУ); в ней коэффициент усиления меняется с помощью обратной связи таким образом, чтобы выходной сигнал удерживался в границах линейного диапазона. Применяя ПТ в схеме АРУ, следует внимательно следить, чтобы амплитуда сигнала была невелика ‑ не более 200 мВ.
Диапазон значений UСИ, в котором ПТ ведет себя как хороший резистор, зависит от конкретного ПТ, у которого сопротивление в первом приближении пропорционально напряжению, на которое потенциал затвора превосходит U П (или Uотс). Как правило, при UСИ < 0,1(UЗИ – UП) нелинейности составляют 2 %, а при UСИ ~= 0,25(UЗИ – UП) возможны нелинейности порядка 10 %. Согласованные пары ПТ дают возможность строить наборы сопротивлений для управления сразу несколькими сигналами. ПТ с p‑n ‑переходом для работы в качестве переменных резисторов (серия VCR Siliconix) имеют допуск по сопротивлению порядка 30 %, заданный при некотором значении UЗИ.
Можно улучшить линейность и одновременно расширить диапазон UСИ, в котором ПТ ведет себя как резистор, с помощью простой компенсационной схемы. Проиллюстрируем это на практическом примере.
Метод линеаризации: электронное управление усилением. Из последней формулы для 1/ RСИ видно, что линейность была бы почти идеальной, если бы к напряжению затвора мы добавили половину напряжения сток‑исток. На рис. 3.33 показаны две схемы, которые именно это и делают.
Рис. 3.33.
В первой из них ПТ с p‑n ‑переходом образует нижнее плечо резистивного делителя напряжения, формируя тем самым управляемый напряжением аттенюатор (или «регулятор громкости»). Резисторы R1 и R2 улучшают линейность добавлением напряжения 0,5 UСИ к UЗИ, как только что говорилось. Показанный на схеме ПТ с p‑n ‑переходом имеет в проводящем состоянии (при заземленном затворе) сопротивление 60 Ом (максимум), что дает диапазон ослабления сигнала от 0 до 40 дБ.
Во второй схеме используется МОП‑транзистор в качестве перестраиваемого эмиттерного сопротивления в усилителе переменного тока с эмиттерной обратной связью. Обратите внимание на то, что по постоянному току эмиттерная обратная связь обеспечивается источником стабильного тока (зеркало Вилсона или диодный стабилизатор тока на ПТ); эта часть схемы несет две нагрузки: а) она ведет себя на частоте сигнала как цепь с очень высоким полным сопротивлением, что позволяет ПТ с перестраиваемым сопротивлением задавать коэффициент усиления, изменяющийся в широком диапазоне (включая ΚU << 1), и б) обеспечивает простое смещение. За счет применения разделительного конденсатора мы организовали схему таким образом, что ПТ воздействует только на коэффициент усиления по переменному току (на усиление сигнала). Без этого конденсатора смещение биполярного транзистора изменялось бы с изменением сопротивления ПТ.
Упражнение 3.7. МОП‑транзистор VN13 имеет в проводящем состоянии (Uзи = +5 В) сопротивление 15 Ом (макс). Чему равен диапазон изменения коэффициента усиления усилителя во второй схеме (в предположении, что источник тока ведет себя как сопротивление 1 МОм)? Какова нижняя частота среза (на уровне 3 дБ) при таком смещении ПТ, что коэффициент усиления усилителя равен а) 40 дБ и б) 20 дБ?
Линеаризация R СИ при помощи резистивного делителя напряжения затвора, представленная выше, исключительно эффективна. На рис. 3.34 приведены для сравнения полученные путем измерений графики зависимости IС от UСИ в линейной (с низким UСИ) области характеристик ПТ при наличии и в отсутствие схемы линеаризации. Такая линеаризующая схема особенно важна для тех применений, где требуются малые искажения при размахе сигнала свыше нескольких милливольт.
Рис. 3.34. Измеренные зависимости IС (UСИ) для отдельно взятых ПТ (слева) и ПТ со схемами линеаризации (справа). а – ТП с p‑n ‑переходом 2N5484; б – МОП‑транзистор VN0106.
Применяя ПТ для регулировки усиления, а именно в схемах АРУ или модуляторов, т. е. устройств, в которых амплитуда высокочастотного сигнала меняется пропорционально сигналу звуковой частоты, есть смысл обратиться также к ИМС «аналогового умножителя». Это – высокоточные устройства с хорошим динамическим диапазоном, обычно применяются для получения произведения двух напряжений. Один из этих сомножителей может быть управляющим сигналом постоянного тока, устанавливающим масштабный множитель для второго входного сигнала, т. е. коэффициент усиления.
В аналоговом умножителе используется зависимость gm от IК, свойственная биполярному транзистору (gm = [ IК (мА)/25] См), и применяются группы согласованных транзисторов, чтобы избежать проблем разброса параметров и сдвига. На очень высоких частотах (100 МГц и выше) часто для этой же цели лучше использовать простые пассивные «балансные смесители» (разд. 13.12).
Важно помнить, что ПТ в смысле проводимости ведет себя при малых напряжениях UСИ как линейное сопротивление, а не как источник тока, что характерно для коллектора биполярного транзистора, и он работает как сопротивление во всем диапазоне до 0 В между истоком и стоком (здесь нет ни диодных перепадов, ни чего‑нибудь в этом роде, о чем стоило бы беспокоиться). Существуют ОУ и семейства логических элементов (КМОП), в которых используется это полезное свойство, так что насыщение на выходе у этих схем наступает именно на уровне напряжения питания.
Ключи на ПТ
Две первые схемы на ПТ, которые в качестве примера мы привели в начале этой главы, были ключами: схема логического ключа и схема переключателя линейного сигнала. Они попадают в перечень наиболее важных применений ПТ, и в них используются те преимущества, которые дают уникальные характеристики ПТ: высокое полное сопротивление затвора и резистивный характер проводимости в обоих направлениях, четко просматривающийся вплоть до напряжения 0 В. На практике обычно используют МОП‑транзисторные интегральные микросхемы (а не схемы на дискретных транзисторах) во всех цифровых и линейных ключах, и только для мощных ключей дискретные ПТ предпочтительнее. Однако и в этих случаях важно (и интересно!) понимать, как работают эти чипы; в противном случае вы почти гарантированы пасть жертвой какого‑нибудь загадочного ненормального поведения схемы.
Аналоговые ключи на ПТ
Очень часто ПТ, в основном МОП‑транзисторы, применяются в качестве аналоговых ключей. В силу таких свойств, как малое сопротивление в проводящем состоянии («ВКЛ») при любом напряжении сигнала вплоть до 0 В, крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки («ВЫКЛ»), малые токи утечки и малая емкость, они являются идеальными ключами, управляемыми напряжением, для аналоговых сигналов. Идеальный аналоговый (или линейный) ключ ведет себя как совершенный механический выключатель: во включенном состоянии пропускает сигнал к нагрузке без ослаблений или нелинейных искажений, в выключенном – ведет себя как разомкнутая цепь. Он имеет пренебрежимо малую емкость относительно земли и вносит ничтожно малые наводки в сигнал от переключающего его уровня, приложенного к управляющему входу.
Рассмотрим пример (рис. 3.35).
Рис. 3.35.
Т1 – n ‑канальный МОП‑транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при заземленном затворе или при отрицательном напряжении затвора. В этом состоянии сопротивление сток‑исток (Rвыкл), как правило, больше 10000 МОм, и сигнал не проходит через ключ (хотя на высоких частотах будут некоторые наводки через емкость сток‑исток; подробнее об этом см. дальше). Подача на затвор напряжения +15 В приводит канал сток‑исток в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 25 до 100 Ом (Rвкл) для ПТ, используемых в качестве аналоговых ключей. Схема не критична к значению уровня сигнала на затворе, поскольку он существенно более положителен, чем это необходимо для поддержания малого Rвкл, и поэтому его можно задавать от логических схем (можно использовать внешний полевой или биполярный транзистор для получения уровней, соответствующих полному диапазону питания) или даже ОУ: вполне годится ± 13 В с выхода схемы 741, так как напряжение пробоя затвора МОП‑транзистора обычно равно 20 В или более. Обратное смещение затвора при отрицательных значениях выхода ОУ будет давать дополнительное преимущество‑можно переключать сигналы любой полярности, как опишем позже. Заметим, что ключ на ПТ‑двунаправленное устройство, т. е. он может пропускать сигнал в обе стороны. Это легко понять, так как механический выключатель тоже обладает этим свойством.
Приведенная схема будет работать при положительных сигналах, не выше 10 В; при более высоком уровне сигнала напряжение на затворе будет недостаточным, чтобы удержать ПТ в состоянии проводимости (Rвкл начинает расти); отрицательные сигналы вызовут включение ПТ при заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода канал‑подложка; см. разд. 3.02). Если надо переключать сигналы обеих полярностей (т. е. в диапазоне от –10 до +10 В), то можно применить такую же схему, но с затвором, управляемым напряжением ‑15 В (ВЫКЛ) и +15 В (ВКЛ); подложка должна быть подсоединена к напряжению ‑15 В.
Для любого ПТ‑ключа сопротивление нагрузки должно быть в диапазоне от 1 до 100 кОм, чтобы предотвратить емкостное прохождение входного сигнала в состоянии «ВЫКЛ», которое имело бы место при большем сопротивлении. Сопротивление нагрузки выбирается компромиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление входного сигнала из‑за делителя напряжения, образованного сопротивлением проводящего ПТ Rвкл и сопротивлением нагрузки. Так как Rвкл меняется с изменением входного сигнала (при изменении UЗИ), это ослабление приведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая источник входного сигнала. В разд. 3.12 и 4.30 предложены некоторые решения этой проблемы (многоступенчатые ключи, компенсация сопротивления Rвкл). Привлекательная альтернатива – применение еще одного ПТ‑ключа, закорачивающего выход на землю, если последовательно включенный ПТ находится в состоянии «ВЫКЛ»; таким образом формируется однополюсный ключ на два направления (подробнее об этом см. в следующем разделе).
Аналоговые ключи на КМОП. Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом случае описанная выше простая n ‑канальная схема работать не будет, поскольку при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь смещения в прямом направлении. Переключение таких сигналов обеспечивают переключатели на комплементарных МОП‑транзисторах (КМОП, рис. 3.36).
Рис. 3.36. Аналоговый ключ на КМОП‑транзисторах.
Треугольник на схеме – это цифровой инвертор, который мы вкратце опишем: он преобразует высокий уровень входного сигнала в низкий уровень выходного и наоборот. При высоком уровне управляющего сигнала Т1 пропускает сигналы с уровнями от земли до UСС без нескольких вольт (при более высоких уровнях сигнала Rвкл начинает драматическим образом расти). Аналогично Т2 при заземленном затворе пропускает сигнал с уровнями от UСС до значения на несколько вольт выше уровня земли. Таким образом, все сигналы в диапазоне от земли до UСС проходят через схему с малым сопротивлением (рис. 3.37).
Рис. 3.37. 1 – n ‑канальный; 2 – р ‑канальный.
Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба ПТ, размыкая таким образом цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от земли до UСС. Это основа схемы КМОП «передающего вентиля» 4066. Как и описанные ранее ключи, схема работает в двух направлениях – любой ее зажим может служить входным.
Выпускается большое количество интегральных КМОП‑ключей в разных конфигурациях (например, несколько секций с несколькими полюсами каждая). Схема 4066 – классическая КМОП‑схема «аналогового запорного вентиля» серии 4000 – это просто другое название для аналогового ключа, переключающего сигналы в диапазоне от земли до положительного напряжения питания. Серии IH5040 и IH5140 фирмы Intersil и серии DG305 и DG400 фирмы Siliconix очень удобны в употреблении; они используют управляющий сигнал от ТТЛ, оперируют аналоговыми сигналами до ± 15 В (тогда как у серии 4000 этот диапазон составляет всего лишь ±7,5 В), легко включаются в разнообразные конфигурации и имеют сравнительно малое сопротивление в состоянии «ВКЛ» (у некоторых из них 25 Ом). Фирмы Analog Devices, Maxim и PMI также выпускают хорошие аналоговые ключи.
Мультиплексоры. Хорошим приложением ПТ‑ключей являются мультиплексоры – схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Аналоговый сигнал с этого выбранного входа будет прямо проходить на (единственный) выход. На рис. 3.38 показана функциональная схема такого устройства.
Рис. 3.38. Аналоговый мультиплексор.
Каждый из ключей от Кл0 до Кл3 есть аналоговый КМОП‑ключ. «Выбирающая логика» декодирует адрес и «задействует» (жаргонный аналог слова «включает») только адресованный ключ, блокируя остальные. Такой мультиплексор обычно используется в сочетании с цифровыми схемами, вырабатывающими адрес. Типичная конфигурация может включать в себя блок накопления данных, в котором несколько входных сигналов поочередно опрашиваются, преобразуются в цифровую форму и используются как входные данные для каких‑то вычислений.
Так как аналоговые ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и «демультиплексором», т. е. сигнал может быть подан на выход и снят с избранного входа. В гл. 8 и 9 будет показано, что аналоговый мультиплексор может применяться в качестве «цифрового мультиплексора‑демультиплексора», поскольку цифровые логические уровни – это не что иное, как значения напряжения, трактуемые как двоичные единицы и нули.
Типичные аналоговые мультиплексоры – схемы серий DG506‑509, а также схемы IH6108 и IH6116 (8‑ и 16‑входовые мультиплексоры), воспринимающие в качестве кода адреса логические уровни ТТЛ и КМОП и работающие с аналоговыми сигналами до ±15 В. Приборы 4051–4053, которые входят в семейство цифровых схем КМОП, являются аналоговыми мультиплексорами‑демультиплексорами, имеющими до 8 входов, но уровень аналогового сигнала, ограничен 15 В; у них есть вывод UЭЭ (внутренний уровень смещения), так что их можно использовать для работы с биполярными аналоговыми сигналами и однополярными управляющими сигналами с уровнями цифровых логических схем.
Другие применения аналоговых ключей. Управляемые напряжением аналоговые ключи образуют блоки, существенно важные для построения схем на ОУ, которые мы увидим в следующей главе‑интеграторы, схемы слежения‑хранения и пиковые детекторы. К примеру, с помощью ОУ мы сможем построить «подлинный» интегратор (в отличие от приближения к интегратору, которое мы видели в разд. 1.15): постоянный входной сигнал генерирует линейно (не экспоненциально) нарастающий сигнал на выходе и т. д. При таком интеграторе мы должны иметь способ «сброса» (восстановления) выхода; с этой задачей справляется ПТ‑ключ, шунтирующий интегрирующий конденсатор. Мы не хотели бы здесь полностью описывать данные схемы; поскольку основную часть этих схем составляют ОУ, они естественным образом попадают в следующую главу. Не будем предвосхищать событий.
3.12. Недостатки ПТ‑ключей
Быстродействие. ПТ‑ключи имеют сопротивление во включенном состоянии Rвкл от 25 до 250 Ом. В комбинации с емкостью подложки и паразитными емкостями это сопротивление образует фильтр нижних частот, ограничивающий рабочие частоты значениями порядка 10 МГц и даже ниже (рис. 3.39).
Рис. 3.39. Параметры аналогового мультиплексора HI‑508 (значения даны для замкнутого канала)
f3дБ = 1/(2π RвклСвых) = 24 МГц.
Полевые транзисторы с меньшим Rвкл имеют обычно бóльшую емкость (у некоторых мультиплексоров до 50 пФ), так что выигрыша в скорости нарастания сигнала они не дают. Значительная доля ограничения частотной характеристики вызвана элементами защиты – последовательными токоограничивающими резисторами и шунтирующими диодами. Существует несколько аналоговых «телерадиочастотных» ключей, обеспечивающих пропускание сигналов более высокой частоты, возможно за счет отказа от некоторых видов защиты. Например, ключи IH5341 и IH5352 оперируют аналоговыми сигналами в обычном диапазоне +15 В и имеют полосу пропускания 100 МГц; серии «высокоскоростных» мультиплексоров 74НС4051‑53 также обеспечивают полосу пропускания аналоговых сигналов на уровне 3 дБ, равную 100 МГц, но обрабатывают при этом сигналы только до ±5 В. МАХ453‑5 фирмы Maxim сочетают в себе видеомультиплексор с выходным видеоусилителем, так что их можно непосредственно подключать к низкоомным (обычно 75 Ом) кабельным или иным нагрузкам; они имеют типичную полосу пропускания 50 МГц и предназначены для сигналов видеочастоты ± 1 В от низкоомных источников.
Сопротивление в открытом (включенном) состоянии. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (скажем, 15 В), будут иметь малые значения Rвкл во всем диапазоне значений сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное по крайней мере половине напряжения питания. Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа Rвкл будет расти, и максимум его имеет место при уровне сигнала, среднем между напряжением питания и землей (или между двумя напряжениями питания при двуполярном питании) (рис. 3.40).
Рис. 3.40.
При уменьшении UСС сопротивление ПТ во включенном состоянии становится значительно выше (особенно вблизи точки UЗИ = UСС /2), так как для ПТ обогащенного типа UП составляет по крайней мере несколько вольт и для достижения малых значений Rвкл требуется напряжение затвор‑исток не меньше чем 5‑10 В. Кроме того, что параллельное сопротивление двух ПТ растет при уровне сигнала, среднем между напряжением питания и землей, этот пик (при 0,5 UСС) будет увеличиваться по мере уменьшения UСС, и при достаточно низком UСС ключ для сигналов с уровнем около 0,5 UСС будет представлять разомкнутую цепь.
Имеются различные приемы, которые разработчики ИМС аналоговых ключей применяют, чтобы сохранить значение Rвкл малым и примерно постоянным (для малых искажений) во всем диапазоне измерения сигналов. Например, в первоначально выпускавшемся аналоговом ключе 4016 использовалась простая схема рис. 3.36, дающая графики Rвкл подобные тем, что показаны на рис. 3.41.
Рис. 3.41. Сопротивление включенного (замкнутого) канала аналогового КМОП‑ключа типа 4016.
В улучшенном ключе 4066 разработчики добавили несколько ПТ таким образом, что напряжение n ‑канальной подложки следует за напряжением сигнала, давая в результате кривые Rвкл, показанные на рис. 3.42.
Рис. 3.42. Сопротивление замкнутого улучшенного аналогового КМОП‑ключа типа 4066; обратите внимание на изменение масштаба по сравнению с рис. 3.41.
«Вулканообразная» форма этих кривых с понижением Rвкл в центре заменила «Эверест» на графиках для 4016.
Усложненные ключи, такие как IH5140 (или AD7510), предназначенные для серьезных применений, дают еще лучший результат, представленный в виде кривых Rвкл на рис. 3.43.
Рис. 3.43. Сопротивление замкнутого аналогового ключа из семейства IH5140, позволяющего переключать сигнал обеих полярностей; обратите внимание на масштаб вертикальной оси.
Недавно выпущенные фирмой Siliconix ключи DG400 дают превосходные Rвкл в 20 Ом ценой увеличения «передачи заряда» (см. ниже подраздел «динамические помехи»); это семейство ключей, как и серия IH5140, имеет еще одно достоинство – нулевой ток покоя.
Емкость. ПТ‑ключи обладают следующими емкостями: между входом и выходом (ССИ), между каналом и землей (СС, СИ), между затвором и каналом и между двумя ПТ в пределах одного кристалла (ССС, СИИ); см. рис. 3.44.
Рис. 3.44. Емкости аналоговых ключей (на примере 4‑канального переключателя AD7510). R вкл = 75 Ом.
Рассмотрим, какие эффекты они вызывают.
ССИ (емкость вход‑выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению сигнала через разомкнутый ключ, которое на высоких частотах возрастает. На рис. 3.45 показан этот эффект для ключей серии IH5140.
Рис. 3.45. Изолирующие характеристики ключа из семейства IH5140 (ключ разомкнут).
Обратите внимание на использование 50‑омной нагрузки‑сопротивления, обычного для радиосхем, но много меньше нормального для низкочастотных сигналов, где типичное значение полного сопротивления нагрузки составляет 10 кОм и более. Даже при нагрузке 50 Ом сквозное прохождение сигнала на высоких частотах становится значительным (на частоте 30 МГц емкость 1 пФ имеет полное сопротивление 5 кОм, что вызывает сквозное прохождение – 40 дБ). И разумеется, имеется значительное ослабление (и нелинейность в передаче) сигнала при работе на 50‑омную нагрузку, поскольку типичное значение Rвкл составляет 30 Ом (75 Ом в худшем случае). При нагрузке 10 кОм ситуация со сквозной передачей сигнала, конечно же, намного хуже.
Упражнение 3.8. Рассчитайте сквозное прохождение сигнала в нагрузку 10 кОм на частоте 1 МГц, приняв С си = 1 пФ.
В большинстве низкочастотных применений емкостное сквозное прохождение не создает проблем. Если они возникают, наилучшим решением является использование пары каскадно‑включенных ключей (рис. 3.46) или, что еще лучше, комбинации из последовательного и шунтирующего ключей, включаемых попеременно (рис. 3.47).
Рис. 3.46.
Рис. 3.47.
Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибелах) ценой дополнительного Rвкл, в то время как последовательно‑параллельная схема (фактически это однополосный ключ на два направления – 1П2Н) уменьшает прямое прохождение, снижая эффективное сопротивление нагрузки до Rвкл, когда последовательный ключ разомкнут.
