Коммутаторы на полевых транзисторах

Как известно, полевой транзистор в области малых напряжений сток—исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения затвор—исток V_GS * На Рис. 2а изображена упрощенная схема последовательного коммутатора на полевом транзисторе с управляющим/?-л-переходом.

Если в этой схеме управляющее напряжение V_CTRLl установить меньшим, чем минимально возможное входное напряжение, по крайней мере, на величину порогового напряжения транзистора, транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю. Для того чтобы транзистор был открыт, напряжение затвор—исток V_GS следует поддерживать равным нулю, что обеспечивает минимальное сопротивление канала. Если же это напряжение станет больше нуля, управляющий p-n-переход откроется и выход коммутатора окажется соединенным с цепью управления. В схеме Рис. 2а равенство нулю V_GS обеспечить не так просто, поскольку потенциал истока меняется согласно изменению входного сигнала. Наиболее простой путь преодоления этой трудности показан на Рис. 2б.

Рис.2. Последовательный коммутатор на полевом транзисторе с управляющимр-п-переходом: a — упрощенная схема, б — с ограничением максимального управляющего напряжения цепью VD-R₁

Если напряжение V_CTRL установить большим, чем максимально возможное входное напряжение коммутатора, диод VD закроется и напряжение V_GS будет, как это и требуется, равно нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а полевой транзистор закрыт. В таком режиме работы через резистор R₁ течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Но это не мешает нормальной работе схемы, так как выходное напряжение коммутатора в этом режиме равно нулю. Однако если цепь входного сигнала содержит разделительный конденсатор, последний при закрытом транзисторе коммутатора зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения, что приведет к полному нарушению работы схемы.

Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве ключа использовать полевой транзистор с изолированным затвором (МОП-транзистор). Его можно переводить в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положительное напряжение, причем и в таком режиме работы ток затвора будет равен нулю. Таким образом, в этой схеме коммутатора отпадает необходимость в диоде и резисторе R₁. Схемы коммутаторов с ключами на МОП-транзисторах приведены на Рис. 3.

Рис. 3. Последовательные коммутаторы с ключами на МОП-транзисторах:

а — на n-канальном МОП-транзисторе, б — на KMO П-транзисторах

На схеме Рис. 3а ключом является n-канальный МОП-транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при V_GS < 0. В этом состоянии сопротивление канала, как правило, достигает единиц или даже десятков ГОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного положительного напряжения переводит канал в проводящее состояние, причем для транзисторов, используемых в качестве аналоговых ключей, типичное сопротивление открытого канала составляет от 1 до 300 Ом.

Эта схема будет работать при положительных входных сигналах, которые, по крайней мере, на 5 В меньше, чем V_CTRL ; при более высоком уровне сигнала напряжение затвор—исток будет недостаточно, чтобы удержать транзистор в открытом состоянии (сопротивление канала в открытом состоянии Rqn начнет расти); при заземленной подложке отрицательные входные сигналы вызовут включение транзистора. Поэтому, если надо переключать сигналы обеих полярностей (например, в диапазоне —10...+10 В), то можно использовать такую же схему, соединив подложку с источником—15 В и подавая на затвор напряжения +15 В (включено) и —15 В (выключено).

Лучшими характеристиками обладают ключи на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), Рис.3б. Здесь на подложку транзистора VT₁ подается положительное питающее напряжение +V_S а на подложку транзистора VT₂ — отрицательное питающее напряжение — V_S. При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n-канального транзистора VT₂ практически равно +V_S. В этом случае транзистор VT₂ проводит сигналы с уровнями от — V_S до величины лишь на несколько вольт ниже + V_S (при более высоких уровнях сигнала V_ON начинает резко расти). В то же время напряжение на затворе p-канального транзистора VT₁ практически равно — V_S и он пропускает сигналы с уровнями oт+ V_S до значения на несколько вольт выше — V_S. Таким образом, все сигналы в диапазоне от + V_S до — V_S проходят через двухполюсник (параллельно включенные VT₁ и VT₂ )с малым сопротивлением R_ON (Рис. 4).

Рис. 4.Зависимость сопротивления каналов ключей на

КМОП-транзисторах от входного напряжения

При переключении управляющего сигнала на низкий уровень напряжение на затворе n-канального транзистора VT₂ устанавливается близким к —V_S, а на затворе p-канального транзистора VT₁ — близким к +V_S.

Тогда, при — V_S. < V_IN < +V_S, оба транзистора заперты, и цепь коммутатора разомкнута. В результате получается аналоговый переключатель для входных сигналов в диапазоне от отрицательного до положительного напряжений питания ключа. Эта схема одинаково работает в двух направлениях — ее сигнальные зажимы S (source — исток) и D (drain — сток) могут служить как входом, так и выходом. Она является основой практически для всех ИМС аналоговых коммутаторов, выпускаемых в настоящее время.

Управление КМОП-ключами осуществляется с помощью логических схем, причем наилучшие результаты обеспечивает КМОП-логика. Логические входы аналоговых коммутаторов обычно проектируют таким образом, чтобы сделать возможным управление ими как от КМОП-, так и от ТТЛ-логики. В ранних моделях для питания входных логических элементов требовалось специальное напряжение питания +5 В. В последних моделях этих ИМС обходятся без него. Применение КМОП-логики для управления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект — в состоянии покоя эти микросхемы практически не потребляют энергии.