Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 56
Текст из файла (страница 56)
В первый момент, когда коллекторный ток еще равен нулю, весь змиттерный ток 1с протекает через базу: 1з(0) = 1с. Значение 1 (О) может намного превышать установившееся значение (8.35б). По мере нарастании коллекторного тока ток базы уменьшается. Как известно, ток коллектора в схеме ОБ меняется с зквивалентной постоянной времени ч, Вн +1 (8 А 2) — = 2,2т,„. (8 АЗ) Из выражения (8.42) очевидно, что второе слагаемое (ф„) желательно делать близким к первому или меньше его. Таким образом, значение сопротивления В, целесообразно выбирать из условия В < э тэ 1 В„+1С„' (8.44) Например, если Вн = 100, тэ =20 нс и С„= 0,5 пФ, то В„< 0,4 кОм.
Накопление и рассасывание носителей, а значит, и задержка среза в ненасыщенном ключе отсутствуют. 8.6. МДП-траизисториые ключи Ключи на МДП-транзисторах, как и на биполярных, в статическом режиме характеризуются остаточным током (в запертом состоянии) и остаточным напряжением (в открытом состоянии). Известны три разновидности МДП-транзисторных ключей: с резисторной нагрузкой, с динамической (транзистор- Поскольку в переключателях тока транзисторы работают в активном режиме, фронт и срез оказываются зкспоненциальными.
Их длительности на уровне (0,1-0,9) Л7„(где М„= а1с) одинаковы и составляют: 8.6. МДП-транзисторные ключи ной) нагрузкой и комдлементарные (КМДП) ключи. Последние выполнены на комплементарных транзисторах, т. е. на транзисторах с каналами противоположного типа проводимости. рассмотрим поочередно статические параметры перечисленных трех разновидностей. Ключ с резисторной нагрузкой. Схема такого ключа, выполненного на и-канальном транзисторе, показана на рис.
8.1б„а'. Для запирания ключа на затвор транзистора подается напряжение Е, < Уз, где Уз — пороговое напряжение. В запертом транзисторе остаточный ток есть обратный ток стокового р-л-перехода, поскольку зтот переход работает при обратном смещении, близком к Е,. Следовательно, ток 1 составляет не более 10 з — 10 тз А (при условии, что поверхность кристалла хорошо обработана и отсутствуют приповерхностные каналы). На вольт-амперной характеристике запертому состоянию ключа соответствует точка А (рис. 8.16, б). При указанных Рнс. 8.16. МДП-транзисторный ключ с резисторной нагрузкой; а — схема; б — расположение рабочих точек на выходной характеристике значениях остаточного тока падением напряжения 1,Е, можно пренебречь и считать, что максимальное напряжение на запертом ключе У„„„, = Е,. Для отпирания ключа на затвор подается напряжение Е; >Ус. Это напряжение должно быть достаточно большим, чтобы рабочая точка В (рис.
8 1б, б) соответствовала как можно меньшему остаточному напряжению. Тогда рабочий ток откры- 1 В случае р-канального транзистора все напряжения в последующем анализе следует считать модулями отрицательных величин. Глава 8. Осцовы цифровой схомотохлвкл 312 того ключа (ток насыщения) определяется, как у биполярного ключа, внешними элементами схемы: (сн (Ес Уссс)Ж ЕсЕс (8.45) Рабочая точка В в открытом состоянии ключа лежит на начальном, квазилинейном участке характеристики МДП-транзистора. Поэтому остаточное напряжение можно записать, умножая ток насыщения (8.45) на сопротивление канала г,„.
Полагая Уао = Е,', получаем Усо Е В, Ь(Е+ У ) (8.46) где Ь вЂ” удельная крутизна. При совместной работе ключей в последовательной цепочке отпирающий сигнал Е,' поступает от предыдущего (запертого) ключа; в этом случае Е,' = Е,. Если принять Ь = 0,1 мА/Вз, У„=2,5 В, В, = 50 кОм и Е,' = = Е, 7,5 В, то У, = 800 мВ. Такое значение У, сравнительно велико, причем пути его уменьшения в данной схеме ограыичены, поскольку и увеличение В„и увеличение Ь в конечыом счете означают увеличение площади„занимаемой схемой„а это в полупроводниковых ИС нежелательно. Однако следует подчеркнуть, что принципиальных ограничений на величину У, в МДП-транзисторных ключах нет; остаточное напряжение можно сделать сколь угодно малым, увеличивая сопротивление Вс и напряжение Е,'. Это — одно из важнейших преимуществ МДП-транзисторных ключей перед биполярыыми, у которых величина У, принципиально ограничена напряжением У„, (см.
(8.2Ц. Ключ с динамической нагрузкой. Схема такого ключа, выполненного ыа одыотипных транзисторах, показана на рис. 8.17, а. Роль динамической нагрузки выполняет транзистор Т2, у которого затвор соединен со стоком и который, тем самым, является двухполюсником — резистором. В схеме с динамической нагрузкой транзистор Т2 называют нагрузочным, а Т1 — активным. Вольт-амперную характеристику резистора Т2 можно получить из следующих соображеыий. Поскольку при соединении затвора со стоком получается У,„з = У,„з, то, очевидно, спра- 8.6. МДП-транзисторные ключи 313 О П бГ, Х гГ б) а) Рис. 8.17.
МДП-транзисторный ключ с динамической нагрузкой: а — схе- ма, 6 — расположение рабочих точек на выходной характеристике ведливо неравенство У,„з — Уо < У„,з. Это неравенство означает, что транзистор Т2 работает на пологом участке характеристики. Для этого участка действительна формула 1, = Я~Ь(У,„— Уо) . Подставляя в нее У,„= У,„з, запишем ВАХ резистора в виде 1„= )з Ьз(У„„- У„)'. (8.47) Как видим, эта ВАХ вЂ” параболическая, т. е. нелинейная. В запертом состоянии ключа, когда на затвор подано напряжение Е, < Уо, остаточный ток имеет примерно то же значение, что и в резисторном ключе ( 10 э-10 го А и менее), а максимальное выходное напряжение близко к напряжению питания: У„„„, к Е, (см.
точкуА на рис. 8.17, б). Точное положение точки А определяется пересечением обратных характеристик стоковых р — л-переходов активного и нагрузочного транзисторов. В открытом состоянии ключа, когда на затвор подано напряжение Е,' > Уо, рабочая точка В лежит на квазилинейном участке характеристики активного транзистора Т1.
Остаточное напряжение в этой точке, как обычно, мало. Поэтому питающее напряжение можно считать полностью приложенным к нагрузочному транзистору Т2. Тогда ток насыщения определяется из формулы (8.47), если положить У,„э = Е,: ~ск ~2('2(Ус У02 ) (8.48) 314 Глава 8. Основы циФровой схемотехники Умножая ток 1 на сопротивление канала и полагая с1,я = Е,', получаем остаточное напряжение в виде1: Ь2 (Ес — (газ) Ез — 0 о1 (8.49) (1зи1 01 (азиз Ез Значит, и-канальный транзистор Т1 заперт, а р-канальный транзистор Т2 открыт (считаем, что ее > ~(гозд' Ток в общей цепи определяется запертым транзистором Т1 и составляет величину Х,.
Открытый транзистор Т2, как и в предыдущих схемах, работает на квазилинейном участке характеристики. Умножая остаточный ток первого тЕ Рне. 8.18. Комплементарный МДП-транзисторный ключ 1 Пороговые напряжения транзисторов для общности приняты разными. В интегральных схемах зто различие неизбежно из-за различия напряжений между истоками и общей подложкой. Поскольку на практике всегда выполняется условие Е,' Е Е, „ нетрудно сделать следующий важный вывод: для того, чтобы остаточное напряжение было мало, в ключе с динамической на грузкой должно выполняться соотношение Ьз «Ь1, т.е.
транзисторы должны бьзть существенно различными. Напомним, что удельная крутизна Ь определяется в первую очередь геометрией транзистора, а именно, отношением ширины к длине канала Е/Ь. Значит, у активного транзистора отношение Я/Л должно быть как можно большим, а у нагрузочного как можно меньшим. В обоих случаях ограничения накладываются конструктивно-технологическими факторами.
Боли обеспечить отношение Ь1~52 = 50 — 100 (что вполне реально), то остаточное напряжение может лежать в пределах 50-100 мВ. Комплементарный ключ. Схема такого ключа показана на рис. 8.18. Пусть в исходном состоянии управляющее напряжение равно .Е, = О. Тогда З.з.
Мдп-трав«и««»рим«ключа транзистора на сопротивление канала второго и полагая У,„= Е,, получаем напряжение на открытом транзисторе Т2: (8.50) Если принять 1 ы = 10 э А, Ьз = 0,1 мА/В и Е, — ~Усз) = 5 В, то )У«эз! = 2 мкВ. Пусть теперь управляющее напряжение принимает положительное значение .Е,' = Е,. Тогда Пэиз Е« ~ Поп (1»из Значит, теперь и-канальный транзистор Т1 открыт, а р-канальный транзистор Т2 заперт. При этом ток в общей цепи по-прежнему остается на уровне 1 „хотя транзисторы «поменялись местамиэ. Таким образом, важнейшей особенностью комплементарных ключей является то„что они практически не потребляют мощности в обоих состояниях.
Соответственно„эти два состояния можно называть «закрытым» и «открытым» только условно — по отношению к одному из транзисторов (например, и-канальному) Однако устойчивые состояния различаются весьма четко по уровню выходного напряжения. Так, выше было показано, что при низком значении Е,', когда транзистор Т1 заперт, напряжение У,„з на открытом транзисторе Т2 ничтожно мало, а значит, выходное напряжение равно напряжению питания: ~мэ««Е«. (8.51а) При высоком значении Е;, когда открыт транзистор Т1, на нем падает такое же ничтожное напряжение. Величину У,ы можно найти из выражения (8.50), заменив индексы в правой части.
Это и будет остаточное напряжение на ключе: У~~~ — — 1 з/(Ь«(Е, — У~ц)). (8. 516) Остаточное напряжение может иметь такие же крайне малые значения, как и в приведенном выше примере: до единиц микровольт и менее. Малые остаточные напряжения являются еще одним важным преимуществом комплементарных ключей. Глава 8.
Основы иифроеой схемотехвики 316 Если напряжение питания .Е, превышает сумму пороговых напряжений обоих транзисторов, то имеется интервал управляющих сигналов Поз с Ез г Ес Рог| в котором открыты оба транзистора. Тогда общий ток в цепи будет иметь конечное (иногда достаточно большое) значение, которое можно вычислить по известным формулам. Однако для КМДП-ключей типичны низкие напряжения питания, близкие к сумме пороговых напряжений, так что заметного возрастания тока в период переключения обычно не происходит. Переходные процессы.
Инерционность МДП-транзисторных ключей обусловлена главным образом перезарядом емкостей, входящих в состав комплексной нагрузки. Инерционность канала, характеризуемую постоянной времени г„при необходимости можно учесть, складывая г, с постоянной времени пере- заряда емкостей. о) Рис. 8.18. Пзрззитные емкосги МДП-грзнзисторного ключа: а — состзеляющие емкости; б — результирующая емкость На рис. 8.19, а показан ключ на транзисторе Т1 (с резисторной нагрузкой), работающий в последовательной цепочке на второй аналогичный ключ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
