Вопрос 21. Ключ на полевом транзисторе с резистивной нагрузкой

Ключи  на МДП транзисторах

Ключ на p-канальном транзисторе

Недостатки:

1. Напряжение на выходе значительно меньше напряжения питания. U_вых 1= U_пит * R_с /(R_c + r_к) = 10 /(10 + 1) * U_пит ≈ 0.9 U_пит. R_c = 10 кОм.

2. Рассеивание мощности на истоке. Экономичность мала.

 Ключ  на n-канальном  транзисторе 

Если  транзистор  отрыт, то на выходе должен быть низкий потенциал.

Н едостаток с точки зрения помехоустойчивости. U_вых0 = U_пит * r_к / (R_c + r_к) Невысокое быстродействие. Изменение заряда на емкости нагрузки происходит через пассивное сопротивление R_с (стока) в обоих  ключах . Емкости затворов, паразитные емкости монтажа. Могут достигать десятков пФ. R_c = 10 кОм С_н = С_вх + С_м = 30пФ. Tф01 = 2.2 * R_c * C_н = 2.2 * 10 * 10³ * 30 * 10^-12 = 0.66 мкс (fmax = 1.5 МГц); В микросхемотехнике не используются.

Принцип действия КМДП  ключа 

1. На входе высокий уровень. U_вх = U_вх1. VT2 открыт, VT1 закрыт. На выходе низкий уровень. U_вых практически равно нулю I ≈ 10 пА. Uвых ≈ 10мкВ.

2. U_вх = U_вх0. На входе низкий уровень. VT2 закрыт.  Транзистор  отсчитывает напряжение на затворе относительно потенциала подложки. На затворе U_зvt - U_п = -5 В. Поэтому VT1 открыт. Его характеристики в этом режиме симметричны. U_вых = +5. U ≈ 10 мкВ (из-за токов утечки).

КМДП  ключ  обеспечивает близкие к идеальному статические уровни на выходе.

Вопрос 22. Ключ на полевом транзисторе с нелинейной нагрузкой Статические характеристики

Сопротивление в открытом (включенном) состоянии. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (например, +15 В), будут иметь малые значения R_o во всем диапазоне значений входного 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 R_o будет расти, и максимум его имеет место при среднем уровне сигнала между высоким и низким напряжениями питания.

    На рис. 6 приведены зависимости R_o ключа микросхемы коммутатора MAX312 от напряжения входного сигнала при однополярном питании. При уменьшении U_пит сопротивление полевого транзистора во включенном состоянии значительно увеличивается (особенно вблизи точки U_вх = U_пит/2). Это объясняется тем, что для полевого транзистора обогащенного типа пороговое напряжение составляет несколько вольт. Пр этом для достижения малых значений R_o требуется напряжение затвор-исток не меньше, чем 5...10 В. Как видно из рис 6, сопротивление открытого ключа при номинальном напряжении питания, близкое к 10 Ом, при Uпит=2,7 В достигает 700 Ом.

    Имеются различные приемы, которые разработчики ИМС аналоговых коммутаторов применяют, чтобы сохранить значение Ro малым и примерно постоянным во всем диапазоне изменения входных сигналов. Это нужно для уменьшения нелинейных искажений входного сигнала. Для этого схему управления ключом выполняют таким образом, чтобы напряжение n-подложки "следило" за напряжением входного сигнала. Применение транзисторов с малым напряжением отсечки и повышенной крутизной позволяет построить коммутаторы с весьма малым Ro при низком питающем напряжении. Так например, одноканальный ключ ADG701 при однополярном питании +5 В имеет сопротивление R_o не более 2,5 Ом. На рис. 7 приведены зависимости сопротивления открытого ключа низковольтной микросхемы МАХ391 от напряжения входного сигнала для различных питающих напряжений при однополярном (а) и разнополярном (б) питании.

(a)	б)
Рис. 7. Графики зависимостей Ro ключа ИМС MAX391 от входного напряжения при однополярном (а) и разнополярном (б) включении для различных значений питающего напряжения

    Применение КМОП логики для управления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект - в покое эти микросхемы практически не потребляют энергии.

    Ток утечки канала. В закрытом состоянии канал МОП-ключа обладает очень высоким динамическим сопротивлением (до сотен ГОм) при напряжении сток-исток более 0,1 В. Поэтому его принимают источником тока с током I_ут. Направление протекания тока утечки через закрытый КМОП-ключ определяется полярностью приложенного напряжения. Типичное значение Iут для широкой номенклатуры аналоговых ключей и мультиплексоров составляет величину порядка 1 нА. Однако выпускаются и ключи с пониженным током утечки. Например у одноканального ADG431 типичный ток утечки - 0,05 нА. При очень низких напряжениях на закрытом ключе сопротивление канала уменьшается, но остается все-таки весьма высоким.