Ключи на мдп-транзисторах
Простейший ключ на МДП-транзисторе с индуцированным каналом р-типа показан на рис. 2.8,а. Состояние ключа определяет напряжение на его затворе, которое поступает от источника управления. Так как на входное сопротивление МДП-транзистора на постоянном токе достаточно велико (10 ...10 Ом), мощность от источника напряжения практически не потребляется. Ток во входной цепи протекает только в переходных режимах и вызван перезарядкой емкостей затвора. Для отпирания транзистора, на затвор нужно подать напряжение, которое отрицательнее напряжений на остальных электродах на значение, большее порогового напряжения Uзи п. Тогда транзистор открывается, и сопротивление его канала уменьшается по мере увеличения напряжения │Uзи│. Наименьшее сопротивление канала Rси min получают при напряжении(-Uзи), близком к максимально допустимому напряжению между электродами МДП-транзистора. При этом в первом приближении можно пренебречь падением напряжения на транзисторе и считать, что потенциалы стока и истока у открытого транзистора приблизительно равны.
В действительности, из-за сравнительно высокого сопротивления канала у полностью открытого МДП-транзистора (порядка нескольких сотен ом), падение напряжения в зависимости от режима работы и типа транзистора может достигать 2...3 В. Поэтому при выборе МДП-транзистора для ключевых схем следует отдавать предпочтение транзисторам, имеющим в открытом состоянии малое сопротивление канала (существуют МДП-транзисторы, сопротивление канала у которых порядка 7...30 Ом) Для определения падения напряжения на транзисторе в открытом состоянии используют статические характеристики, на которых обычным путем строят линию нагрузки (рис. 2.8,6).
Из рис 2.8.6 видно, что при достаточно большом напряжении на затворе
(│Uзи│=-(10...13) В) изменения потенциала затвора незначительно изменяют падение напряжения на МДП-транзисторе. При увеличении нагрузочного сопротивления Rс наклон прямой уменьшается и падение напряжения на МДП-транзисторе при том же напряжений на его затворе снижается. Поэтому используют достаточно высокие сопротивления Rc достигающие десятков килоом. Однако при этом соответственно увеличивается выходное сопротивление ключа, определяемое при закрытом транзисторе значением Rc. Поэтому при сравнительно низкоомной нагрузке напряжение на стоке закрытого ТК будет отличаться от -Е на величину, определяемую значениями сопротивлений Rc и Rн:
Uвых закр=-ЕRн/Rc+Rн
При открытом ключе выходное напряжение зависит от сопротивления канала транзистора и сопротивлений Rс и Rн. В этом случае выходное напряжение определяется из выражения
Uвых закр= -Е(Rсн║Rн)/Rс+(Rсн║Rн)
Сопротивление индуцированного канала при заданных напряжениях Uзн может быть определено или с помощью выходных характеристик, на которых построена линия нагрузки, или аналитически из приближенного выражения:
Rси=1/S(Uзн-Uзн пэ)
где S=Е'ЕоξZ/(Ld) -удельная крутизна транзистора (Е' - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика между затвором и полупроводником; ео - электрическая постоянная вакуума; ξ - подвижность носителей заряда; Z - ширина канала; L - длина канала; d - толщина диэлектрика под затвором); Uзи пэ - эквивалентное пороговое напряжение.
Типичное значение S=60 мкА/В2. Эквивалентное пороговое напряжение отличается от Uзи п вследствие того, что сопротивление канала Rсн зависит от напряжения на подложке Uпн:
Uзн пэ=Uзн п+ηUпн
где η=│dUзн/dUпн│1с=const - коэффициент влияния подложки.
Так как в рассматриваемом случае подложка соединена с истоком и Uпн=0, то
Uзн пэ=Uзн п
Таким образом, наличие сопротивления нагрузки Rн и относительно высокое сопротивление канала транзистора в открытом состоянии приводят к тому, что выходное напряжение закрытого ТК меньше напряжения питания │Е│ и Uвых откр≠0.
Контрольные вопросы
1. Функции, каких элементов выполняют транзисторы, входящие в состав ИМС?
2. Какие линейные каскады на транзисторах обеспечивают усиление по напряжению? по току?
по мощности?
3. Как соотносятся входные и выходные сопротивления схем с ОЭ, ОБ и ОК?
4. Чем определяется режим насыщения транзистора?
5. Чем определяется задержка срабатывания ключа?