L_16 (Конспекты лекций)

Лекция № 16.РАБОТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ В КЛЮЧЕВОМРЕЖИМЕПлан1. Введение.2. Транзисторные ключи на полевом МОП-транзисторе.3. КМОП-инверторы, БИКМОП-логика.4. Элементы ТТЛ, ЭСЛ.5. Выводы.1. Введение.Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутациианалоговых и цифровых сигналов.В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющимp-n-переходом или МОП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых схемах и в силовой электронике в настоящее время предпочтенье отдаютМОП-транзисторам с индуцированным каналом.У полевых транзисторных ключей гораздо меньше остаточное напряжение на выходе, чем у ключей на биполярном транзисторе, у которого значение этого напряжения ограничено (при q нас = 3 остаточное напряжение U кэперестаёт уменьшаться).

У полевого транзистора, как покажет дальнейшийанализ, больше «рычагов» для работы с этим параметром. Для получениямалого остаточного напряжения на выходе полевые транзисторы в ключевомрежиме так же, как и биполярные, работают на крутом участке стоковыхВАХ.2. Транзисторные ключи на полевом МОП-транзисторе.В нашей лекции мы будем работать с ключами только на МОПтранзисторах и только с индуцированным каналом. О преимуществах этихтранзисторов было немало сказано в лекции 4.Классификация транзисторных ключей на полевых транзисторах сприповерхностным каналом.1.

МОП – ключ с активной (резисторной) нагрузкой.2. МОП – ключ с динамической нагрузкой.3. КМОП – инвертор.4. БИКМОП – ключи.Рассмотрим подробно работу каждого из названных ключей.2.1. МОП-ключ с активной (резисторной) нагрузкой.На рис.16.1а. показана схема МОП-ключа с активной нагрузкой, а нарис.16.1б ─ стоковая ВАХ транзистора с индуцированным каналом,IсЕсRсЕзVT2AРТUвыхRcIснU сиЕпUси нUоста).„Bб).Рис.16.1.В схеме ключа используется МОП-транзистор с индуцированным nканалом, рабочим режимом которого является режим обогащения (см. стокозатворную ВАХ МОП-транзистора в лекции № 4, рис.4.10).

В отличие отключа на биполярном транзисторе входная цепь МОП-транзистора не нуждается в ограничении входного тока, так как имеет большое сопротивление.Напряжение отпирания транзистора Е + . должно быть заметно большезпорогового, и должно соответствовать, по возможности, меньшему остаточному напряжению.При малом остаточном напряжении ток стока насыщения определяется восновном сопротивлением резистора R с .Iсн=Е − U ост Ес≈ сRRсс(16.1)Рабочая точка ключа лежит на квазилинейном участке ВАХ, поэтому остаточное напряжениеUост= I сн R 0 =Еснс≈b(U зи − U 0) [b( Е +з − U 0) R с]I(16.2)При «цепочечной» логике отпирающий сигнал Е + .

поступает от предыздущего ключа и, если он заперт, то Е + . = ЕсзФормула (16.2) позволяет определить способы уменьшения остаточногонапряжения, хотя изменение каждого из элементов формулы приводит к некоторым нежелательным последствиям, например, увеличение удельной крутизны и сопротивления резистора R с приведёт к снижению степени интеграции интегральной схемы. Уменьшение напряжения Ес приведёт к «затягиванию» формирования переднего фронта импульса тока стока.

Но принципиальных ограничений на величину остаточного напряжения у МОПтранзистора нет.Недостатком схемы ключа с активной нагрузкой является, то, что активный элемент занимает много места на кристалле, кроме того, на нём рассеивается большая мощность. От этих недостатков свободна схема ключа наМОП-транзисторе с динамической нагрузкой.МОП-ключ с динамической нагрузкойВ качестве динамической нагрузки в схеме такого ключа используетсяМОП-транзистор (VT 2 ) с таким же типом канала, что и у активного транзистора ─ VT 1 (рис.16.2). На рис.16.3 показана стоковая ВАХ активного транзистора (I c = f(U си1 ).Чтобы определиться с ВАХ нагрузочного транзистора, обратимся к схеме ключа.

В транзисторе VT 2 затвор соединён со стоком, то есть напряжениена затворе U зи2 = U си2 . Следовательно, U зи2 − U 0 < U си 2 . Это неравенство означает, что транзистор VT 2 работает на пологом участке ВАХ, для которогосправедлива формула (4.14) из лекции № 4.Ic1 = f (Uси1)IсVT2 Uси2ВЕсUзи2VT1ЕзUвыхIснРТ Ic2 = f (Uси2)U02AU сиЕп„BUост1Рис.16.2Uси нРис.16.3.Для удобства анализа приведём эту формулуI = 0,5b(U зи − U 0) 2 .сПодставим в эту формулу U зи2 = U си2 , получимIс2= 0,5b 2 (U си 2 − U02)2(16.3)Формула (16.3) показывает, что ВАХ транзистора VT 2 имеет параболическую форму (рис.16.3, I c2 =f(U cи2 )).

Положение точки «А» на ВАХ условное;точное её положение определяется пересечением обратных характеристикстоковых p-n-переходов транзисторов VT 1 и VT 2 .Когда активный транзистор (VT 1 ) открыт рабочая точка (РТ) лежит напересечении характеристик активного и нагрузочного транзисторов, то естьна квазилинейном участке.

При таком малом остаточном напряжении (U ост1 )можно считать, что практически всё напряжение питания (Е с ) приложено кнагрузочному транзистору (U си2 ≈ Е с ), поэтому формула (16.3) приобретаетвид (16.4)Iсн= 0,5b 2 ( Е с − U02)2.(16.4)Так как РТ лежит на квазилинейном участке стоковой ВАХ, то для определения остаточного напряжения на активном транзисторе воспользуемсязаконом Ома2b 2 ( E c − U 02)R.U= 01 I сн =ост12b1 ( E + − U 01)з(16.5)Из формулы (16.5) следует, что для получения малого остаточного напряжения необходимо выполнять соотношение b 2 << b 1 , то есть транзисторы VT 1 и VT 2 должны существенно различаться. В лекции № 15 былоотмечено, что удельная крутизна «b» определяется геометрией транзистораb = µ C o × Z L.Z / L11Если обеспечить соотношение≈ 50...100,.

то остаточное напряжеZ / L22ние на выходе активного ключа будет составлять ≤ 100 мВ.3. КМОП-инверторы, БИКМОП-логика.3.1. КМОП-инверторы.Недостатком транзисторных ключей на МОП-транзисторе является то,что в рабочем состоянии через него протекает постоянная составляющая тока, пропорциональная сопротивлению нагрузки. Вообще-то, схема МОПключа не нуждается в этой составляющей тока. Дело в том, что при последовательном включении нескольких ключей этот ток не является принципиально необходимым для схемы ключа в целом, так как входной ток у МОПтранзисторов равен нулю, и для переключения транзистора требуется лишьперезарядить входную ёмкость. Следовательно, происходит бесполезное по-требление мощности. Можно, конечно, увеличить эквивалентную нагрузку вцепи стока, но это приведёт к снижению быстродействия.Свободной от этого недостатка является схема КМОП-инвертора ─ этосочетание двух МОП-транзисторов с каналами разной проводимости(рис.16.4).

Эту пару транзисторов принято называть комплементарной илидополняющей.ЕзЕсVT2VT1езa)Uвыхtб)Рис.16.4.ЕзЕсt0uсиt10,1ЕсtЕсVT2VT1Е+зU0IснСнtсUостtфв)Iс(0)I (∞)tРис.16.5Рис.16.6.На диаграмме 16.6в показан ток через нагрузочный конденсатор.В схеме КМОП-инвертора (рис.16.4) стоки транзисторов VT 1 и VT 2 объединены и образуют вывод выхода ключа. Затворы также объединены и образуют вывод входа.

Исток транзистора VT 2 соединён с шиной питания(+Е с ), а исток транзистора VT 1 ─ с «земельной» шиной. Схема КМОПинвертора симметрична. Выходное напряжение снимается с транзистора VT 1 .Режим транзисторов подбирается таким образом, чтобы, даже в переходных процессах, не было таких моментов в работе ключа, когда оба тран-зистора окажутся одновременно открытыми. Для этого напряжение питанияинвертора выбирается из условия Е с ≤ U 01 + U 02 ,где U 01 и U 02 ─ пороговые напряжения VT 1 и VT 2 соответственно (обычное значение для порогового напряжения U 0 ≈ 0,2 Е с ).Рассмотрим работу КМОП-инвертора в статическом режимеЕсли сигнал на входе отсутствует (рис.16.4), то транзистор VT 1 находится в режиме отсечки. При этом на затворе транзистора VT 2 относительноистока присутствует напряжениеUзи 2= Ес>U02и поэтому транзисторVT 2 будет включен.

Поскольку VT 1 заперт, то в цепи, составленной из двухпоследовательно соединённых транзисторов, протекает лишь остаточный токнеосновных носителей. Напряжение на выходе при таких условиях будетравно напряжению питания U вых ≈ Е с .Если сигнал на входе имеет высокий уровень, то n-канальный транзисторVT 1 отпирается до насыщения, а p-канальный транзистор VT 2 выключается(переходит в режим отсечки). Сопротивление открытого транзистора VT 1резко уменьшается, остаточное напряжение на его выходе снижается (примерно до 10 мВ).

Таким образом, становится очевидным, что схема КМОПключа работает как инвертор: фаза входного сигнала на выходе меняется напротивоположную. Поэтому схему КМОП-ключа называют логическим инвертором.При проектировании КМОП-инвертора важным моментом является вопрос согласования транзисторов по таким параметрам, как удельная крутизнаи пороговые напряжения (по модулю).