Ключи на мдп-транзисторах

Очень часто полевые транзисторы, главным образом МДП-транзисторы, применяются в качестве аналоговых ключей. В силу своих свойств, таких, как малое сопротивление в проводящем состоянии, крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки, малые токи утечки и малая емкость, они являются идеальными ключами, управляемыми напряжением, для аналоговых сигналов. Идеальный аналоговый ключ ведет себя как механический выключатель: пропускает сигнал к нагрузке без ослаблений или нелинейных искажений

VT1 ≈ это n-канальный МДП транзистор с индуцированным каналом, не проводящий ток при заземленном затворе или при отрицательном напряжении затвора. В этом состоянии сопротивление сток ≈ исток, как правило, больше 10000 МОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор положительного управляющего напряжения (больше UПОР) приводит канал сток ≈ исток в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 25 до 100 0м (Rвкл) для транзисторов, предназначенных для использования 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, а потому его можно задавать от логических схем; можно использовать выход ТТЛ для получения уровней, соответствующих полному диапазону питания, с помощью внешнего транзистора, или даже операционного усилителя (ОУ). Обратное смещение затвора при отрицательных значениях выхода ОУ будет давать дополнительное преимущество ≈ возможность переключать сигналы любой полярности. Заметим, что аналоговый ключ такого типа ≈ двунаправленное устройство, т. е. он может пропускать сигнал в обе стороны.

Приведенная схема будет работать при положительных сигналах, не превышающих (UУПР - UПОР); при более высоком уровне сигнала напряжение на затворе будет недостаточным, чтобы удержать транзистор в состоянии проводимости (Rвкл начинает расти); отрицательные сигналы вызовут включение при заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода канал ≈ подложка). Если нужно переключать сигналы обеих полярностей, то можно применить такую же схему, но с затвором, управляемым двуполярным напряжением, при этом подложка должна быть подсоединена к отрицательному напряжению.

Для любого ключа на полевом транзисторе важно обеспечить сопротивление нагрузки в диапазоне от 10 до 100 кОм, чтобы предотвратить емкостное прохождение входного сигнала в состоянии "ВЫКЛ", которое имело бы место при большем сопротивлении. Значение сопротивления нагрузки выбирается компромиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление выходного сигнала из-за делителя напряжения, образованного сопротивлением проводящего транзистора Rвкл и сопротивлением нагрузки. А так как Rвкл меняется с изменением входного сигнала, то это ослабление приведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая входной сигнал. Привлекательной альтернативой является также применение еще одного ключа, закорачивающего выход на землю, если транзистор, включающий сигнал, находится в состоянии "ВЫКЛ": таким образом, формируется однополюсный ключ на два направления.

Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом случае описанная выше простая схема работать не будет, поскольку при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь достаточного смещения. Задача переключения таких сигналов решается применением переключателей на комплементарных МДП-транзисторах (КМДП) (рис. 12). При высоком уровне управляющего сигнала VТ1 пропускает сигналы с уровнями от земли до без нескольких вольт. VТ2 пропускает сигнал с уровнями от до значения на несколько вольт выше уровня земли. Таким образом, все сигналы в диапазоне от земли до проходят через схему, имеющую малое сопротивление. Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба транзистора, размыкая, таким образом, цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от земли до . Это основа схемы КМДП "передающего вентиля" 4066 (К561КТ3). Как и описанные ранее ключи, эта схема работает в двух направлениях ≈ любой ее терминал может служить входным.

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 13) можно использовать и как аналоговые ключи, но нужна осторожность в отношении сигнала на затворе, чтобы не возник ток затвора.

Напряжение затвора должно быть существенно ниже потенциала земли для удержания ПТ в состоянии отсечки. Это значит, что если напряжение сигнала становится отрицательным, то напряжение затвора должно удерживаться, по крайней мере, на ниже наименьшего минимума сигнала. Для приведения транзистора в состояние проводимости управляющий сигнал должен стать больше максимального положительного значения входного сигнала. Когда ключ замкнут, диод имеет обратное смещение и затвор связан с истоком через резистор сопротивлением 1 МОм, т. е. находится под потенциалом истока.

Можно построить схему аналогового ключа на транзисторе с управляющим р≈п-переходом, если использовать ОУ, так как можно связать исток транзистора с потенциальной землей в суммирующей точке инвертирующего усилителя (рис. 14). Тогда для отпирания транзистора нужно просто подать потенциал земли на затвор. Этот способ дает дополнительное преимущество, заключающееся в точной компенсации ошибок, возникающих из-за конечного значения Rвкл и его нелинейности.