Цифровые интегральные микросхемы Микроэлектроника - (стр. 5 из 19)
Рис. 10. Идеализированная временная диаграмма работы ключа
Ключевая схема на полевых транзисторах
Ключевые схемы на полевых транзисторах имеют следующие преимущества перед биполярными:
·малое сопротивление в открытом состоянии,
·высокое сопротивление в закрытом состоянии,
·незначительная мощность, потребляемая от источника управляющего сигнала.
Схемотехнически полупроводниковые ключи на биполярном и полевом транзисторе практически идентичны.
Однако в интегральной схемотехнике в качестве нагрузочного резистора Rиспользуется МДП-транзистор того же типа, что и транзистор, выполняющий роль ключа (рис. 11).
Рис. 11. Ключевая схема на МДП-транзисторах
Это позволяет сократить число технологических операций при изготовлении микросхем. Чтобы транзистор Т2 выполнял роль резистора необходимо обеспечить постоянно открытое состояние его канала. Для этого затвор транзистора Т2 соединяют с его стоком.
Ключевая схема на комплементарных транзисторах
В рассмотренных ключевых схемах существенным недостатком является протекание тока через сопротивление Rк как в открытом, так и в закрытом состояниях и, как следствие его значительное нагревание.
Этого недостатка лишен инвертор на комплементарных (взаимодополняющихся) МДП-транзисторах (рис. 12).
Рис. 12. Комплементарный МДП-транзисторный ключ
Схема построена на двух транзисторах Т1 и Т2 с одинаковыми характеристиками, но с каналами разных типов проводимости. Схема симметрична: когда один из транзисторов выполняет роль замкнутого ключа, то другой служит нагрузочным сопротивлением и наоборот.
В положительной логике и при положительной полярности напряжения питания при подаче на вход схемы логического 0 (Uвх» 0 В) транзистор Т1 будет заперт, а транзистор Т2 оказывается в режиме глубокого насыщения и через него потенциал +Е поступает на выход, реализуя на выходе логическую 1. Сквозной ток протекающий через оба последовательно соединенных транзистора практически равен нулю, так как сопротивление закрытого транзистора Т1 очень велико.
Если на вход ключа подана логическая 1, то состояния транзисторов меняется на противоположное и через открытый транзистор Т1 на выход будет подан нулевой потенциал корпуса Uвых» 0 В, реализуя логический 0. При этом сквозной ток по прежнему останется близким к нулю вследствие большого сопротивления запертого транзистора Т2.
Таким образом, в статическом состоянии схема практически не потребляет мощности от источника питания.
В режиме переключения имеется некоторый интервал входных сигналов при которых открыты оба транзистора и сквозной ток может достигать значительных величин. Однако для КМДП-ключей типичны низкие напряжения питания, так что заметного возрастания тока во время переключения обычно не происходит.
Переключатель тока
Переключателем тока называют симметричную схему (рис. 12.), в которой заданный ток I0 протекает через ту или иную ее ветвь в зависимости от потенциала Uвх на одном из входов. На втором входе поддерживается некоторое неизменное опорное напряжение Uоп.
а бРис. 13. Переключатель тока: а – электрическая схема;
б – временная диаграмма его работы
Опорное напряжение Uоп равно промежуточному значению между напряжениями высокого (В) и низкого (Н) уровней выходного напряжения.
Так как эмиттеры транзисторов соединены между собой, то падение напряжения Uэ прикладывается одновременно к базам Т1 и Т2
Если на вход переключателя подан высокий уровень (В) т. е. Uвх = Uоп + d, то транзистор Т1 будет открытым, так как на его базе будет прямое напряжение Udэ1 = Uвх – Uэ > 0, а Т2 закрыт (Udэ2 = Uоп – Uэ < 0). Каждая из ветвей переключателя представляет собой инвертор, поэтому на выходе Uвых1 будет низкий потенциал, на выходе Uвых2 – высокий.
Если на вход подан низкий уровень (Н), т. е. Uвх = Uоп – d, то откроется Т2, а Т1 закроется. Обычно величины ïdï= 0,1 … 0,5 В достаточно для перевода схемы из одного состояния в другое, сохраняя активный режим открытого транзистора.
Таким образом особенность переключателей тока состоит в использовании ненасыщенного режима работы транзисторов, что обеспечивает их повышенное быстродействие и по той же причине повышенные энергетические затраты в статическом режиме.
2.2 Переходные процессы в ключевых схемах
В реальных ключевых схемах изменение состояния транзисторов под действием ступенчатого входного напряжения происходит в течение некоторого времени, зависящего от целого ряда факторов: типа транзистора ключа, режимов его работы, характера нагрузки и т.д. При этом изменения выходных токов ключа при отпирании и запирании транзистора отличаются от линейного закона, а форма выходного напряжения значительно отличается от формы входного.
Переходные процессы биполярного ключа
Процесс переключения биполярного транзистора определяется двумя факторами: процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в базе, формирующих ток коллектора ik , и наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов Cэ и Cк , которые перезаряжаются при переключениях. Если входное напряжение Uвх равно нулю, то транзистор закрыт и ток коллектора ik равен неуправляемому току Iк0 (рис. 14).
Рис.14. Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе
При подаче входного напряжения ступенчатой формы появляется базовый ток Iб такой же формы. Если величина Iб достаточна для ввода транзистора в насыщение, то возрастающий ток коллектора будет стремиться к уровню bIб , где b – коэффициент усиления тока транзистора. Нелинейный характер нарастания ik определяется наличием емкостей переходов база-эмиттер (Cэ ) и база-коллектор (Cк). Максимальное значение ik ограничено сопротивлением Rk и не может превысить величины
.Значение коллекторного тока, в тоже время, определяется количеством неосновных носителей в базе, поэтому, когда ток ik достигнет величины Ikнас, его рост прекратится, но рост числа носителей заряда в базе будет расти до величины соответствующей току Iб. Таким образом, в базе транзистора накапливается избыточный заряд неосновных носителей, не участвующих в создании коллекторного тока.
Как видно из диаграммы, процесс открывания транзистора занимает некоторый интервал времени tвкл. Уменьшение этого времени на практике достигают повышением в 1,5¼3 раза базового тока, по отношению к току, достаточному для введения транзистор в насыщение.
Однако увеличение базового тока в этом случае приводит к увеличению избыточного заряда неосновных носителей в базе, которые после снятия входного сигнала (отключения тока Iб) продолжают поддерживать некоторое время tр коллекторный ток неизменным. Отрезок времени tр называют временем рассасывания неосновных носителей из базы. Только после удаления избыточного заряда из базы начинается процесс уменьшения коллекторного тока до уровня Iк0.
В быстродействующих ключевых схемах принимают меры для уменьшения tр, и соответственно, tвыкл, в целом.
Ключевая схема на транзисторе Шоттки
Процесс рассасывания можно устранить, если транзистору сразу же после отирания создать режим, когда бы он находился на границе между состоянием насыщения и активным режимом работы. Этого можно достичь шунтированием перехода коллектор-база транзистора диодом Шоттки (рис. 15).
Рис. 15. Ключевая схема на транзисторе Шоттки
Когда транзистор закрыт или работает в активном режиме, потенциал коллектора выше потен-циала базы и, следовательно, диод закрыт и не влияет на работу клю-ча. В режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт, потенциал его коллектора оказывается ниже потенциала базы, что приводит к открыванию диода, на котором устанавливается напряжение менее 0,5 В, т. е. меньше напряжения, открывающего переход база–коллектор. Транзистор тем самым окажется на грани насыщения, так как диод зашунтирует через себя ту часть тока базы, которая создала бы избыточный заряд.
В интегральном исполнении диод Шоттки представляет собой контакт металла с коллекторной областью транзистора и составляет единую структуру, называемую транзистором Шоттки. Особенностью диода Шоттки является низкое прямое падение на нем напряжения порядка 0,4 В.
Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторе
Основное влияние на характер протекания переходных процессов в ключевых схемах на полевых транзисторах оказывают емкости, образованные между их выводами (рис. 16).
а бРис. 16. Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторах: а – эквивалентная схема, б – временные диаграммы
При закрытом транзисторе выходная емкость Cси заряжена до напряжения, практически равного E. Когда входное напряжение превышает пороговое напряжение Uпор (напряжение открывания транзистора) в течение времени задержки
формируется проводящее состояние канала. Однако, при достаточно низком сопротивлении Rвн источника входного сигнала Uвх время задержки пренебрежимо мало.