Лекция 17

4.5 Транзисторные ключи на полевых транзисторах.

При проектировании цифровых схем интегрального исполнения одним из важных вопросов является задача упаковки как можно большего количества логических элементов (ключей) на кристалле полупроводника ограниченных размеров. Поэтому большое значение приобретает такой параметр полупроводникового компонента (диод, транзистор) как площадь занимаемая им на поверхности кристалла. По этому параметру полевые транзисторы значительно превосходят биполярные. В соответствии с эти современные БИС и СБИС строятся на полевых транзисторах (называют МОП технология, в отличии от ТТЛ технологии на биполярных транзисторах).

О

Рис. 132. Ключ на полевом транзисторе.

Рис. 133. Переходная характеристика МОП транзистора с индуцированным nканалом.

днако вам известны три структуры полевых транзисторов. Возникает вопрос какая же структура может быть применена для построения ключей. При выборе структуры полевых транзисторов нужно оценить коков диапазон входных и выходных напряжений. В цифровых устройствах используют положительную логику потенциальной системы кодирования, у которой минимальное значение кодирующего напряжения ноль вольт, а максимальное равно напряжению питания в большинстве случаев 5В. То есть напряжение на затворе может находиться в диапазоне 0 ─ 5В, и напряжение на стоке будет в этом же диапазоне. Таким требованиям удовлетворяют только МОП транзисторы с индуцированнымnканалом.

Рассмотрим каким образом схема, приведенная на рис. 132 может выполнять функции транзисторного ключа, исходя из того, что входной сигнал потенциальной системы кодирования. Важно заметить, что полевой транзистор МОП структуры с индуцированнымnканалом. Его передаточная характеристика показана на рис. 133. При подаче на затвор низкого напряжения («0» напряжение) транзистор будет находиться в закрытом состоянии и ток стока будет равен нулю. В этом случае выходное напряжение на шинеDбудет равно напряжению питания, или при подключении нагрузки оно будет определяться соотношением сопротивлений нагрузки и сопротивления в цепи стокаRc, то есть будет иметь высокий уровень.

Е

Рис. 134. К МОП ключ.

сли же на затвор подать высокий уровень напряжения, то состояние транзистора определяется соотношением этого напряжения с таким параметром транзистора как пороговое напряжение, в нашем случаеUпор = 3В. Так при подачеUз = 4В в цепи стока может быть сформирован ток 10мА, а приUз = 5В ─Iс может быть равно 40 мА. Однако реальное значение тока стока будет зависеть от величины сопротивления в цепи стокаRc. Напряжение на стоке в этом случае не превышает 0,5В. Так приRс = 1000 оМ и напряжении питания 5ВIс = (5 – 0,5)/1000 = 0,0045 = 4,5 мА. И эта величина практически не зависит от уровня напряжения на затворе, если оно находиться в диапазоне 4 ─ 5 В.

Следовательно, приведенная схема работает в режиме эквивалентном режиму насыщения для биполярных транзисторов.

Существенный недостаток рассмотренной схемы состоит в том, что выходное напряжение существенно зависит от сопротивления нагрузки. Для исключения этого недостатка применяют схему на взаимно дополняющих структурах ─ КМОП ключ (рис. 134). Сущность схемы состоит в том, что используют еще один транзистор, но с проводимостью другого типа, то есть используют дополнительный транзистор МОП структуры с индуцированным pканалом.

При подаче высокого уровня напряжения открыт транзистор с nканалом, а транзистор сpканалом закрыт, то есть шинаDподключается к общему проводу.

При подаче низкого напряжения транзистор с nканалом закрыт, а транзистор сpканалом открыт, то есть шинаDподключается к источнику питания. Важно, что величина тока в шинеDбудет определяться внешними цепями. Еще одно важное достоинство КМОП схем заключается в том, что эти схемы могут быть построены без пассивных компонентов ─ резисторов. Это существенно упрощает технологию изготовления микросхем, увеличивает плотность упаковки и уменьшает стоимость изготовления.