4.4. Ключи на моп−транзисторах

Создание цифровых ИС с повышенной степенью интеграции обусловило особый интерес к базовым логическим элементам с очень малыми потребляемой мощностью и занимаемой на кристалле площадью. Традиционный способ повышения экономичности за счет увеличения сопротивления резисторов неизбежно приводит к увеличению их геометрических размеров и паразитной емкости на подложку. Кардинальным способом решения проблемы явилось использование в ключевых схемах вместо резисторов динамической нагрузки − МОП- транзисторов. Они способны хорошо работать в режиме микротоков и имеют малые габариты.

Получили распространение две схемы ключевых элементов: на транзисторах с каналами одного типа проводимости и на комплементарных транзисторах − на парах транзисторов с каналами разного типа проводимости

Ключ, на однотипных МОП-транзисторах. Широкое применение находят n-канальные транзисторы, поскольку они обеспечивают более высокое быстродействие, чем р-канальные, а логические элементы на их основе легко согласуются с логическими элементами на биполярных транзисторах. Принципиальная схема ключа на n-канальных транзисторах и поясняющие его работу временные диаграммы приведены на рис. 4.13.

Рисунок 4.13 − Принципиальная схема ключа

на n-канальных транзисторах

Роль динамической нагрузки выполняет транзистор Т2, у которого затвор соединен со стоком, образуя двухполюсник.

В запертом состоянии Т1, когда на его затвор подано напряжение U_ВХ, не превышающее порога отпирания U_ЗИ.ПОР1 (рис. 4.14, а), ток через Т2 практически не протекает, поэтому падение напряжения U_СИ.2 ≈ 0 и U_ВЫХ = Е_П. Отсюда следует, что U_ЗИ.2 ≈ 0 и Т2 тоже закрыт. Точное значение U¹_ВЫХ определяется точкой пересечения выходной характеристики транзистора Т1 при U_ЗИ.1 ≈ 0 и линии нагрузки, представляющей собой динамическую характеристику I_С2 = f(U_ЗИ.2) транзистора Т2 (точка А на рис. 4.14, б).

Рисунок 4.14 – Временные диаграммы диодного ключа

Эта точка находится в интервале E_П.(E_П − U_ЗИ.ПОР2), смещаясь к одной или другой границе интервала в зависимости от соотношения токов утечки транзисторов. С учетом этого из рис. 4.13 видно, что последующий ключ будет надежно открыт, если минимально возможное выходное напряжение данного ключа E_П − U_ЗИ.ПОР2, > U_ЗИ.ПОР1. Отсюда следует требование к напряжению источника питания: E_П > U_ЗИ.ПОР1 + U_ЗИ.ПОР2.

В открытом состоянии ключа, когда на затвор транзистора T1 подано U_ВХ ≈ E_П его канал имеет низкое сопротивление, и напряжение U_ВЫХ = U_ОСТ (точка В на рис. 4.14, б). Если при этом U_ЗИ2 = Е_П − U_ОСТ > U_ЗИ.ПОР2, то открыт также транзистор Т2, Остаточное напряжение U_ОСТ для аналогичного последующего ключа является выключающим, следовательно, должно удовлетворять неравенству: U_ОСТ<U_ЗИ.ПОР1, т. е. быть близким к нулю. Это возможно, когда сопротивление канала открытого транзистора Т1 значительно (до двух порядков) меньше (до двух порядков) сопротивления канала открытого Т2. Иными словами, удельная крутизна транзистора Т должна быть существенно выше удельной крутизны Т2. На практике это достигается в основном использованием транзисторов разной геометрии: Т1 имеет короткий и широкий канал, а Т2 − узкий и длинный.

Поскольку минимальное сопротивление канала открытого транзистора T1 обычно составляет сотни и более Ом, сопротивление канала открытого транзистора T2 должно быть десятки кОм. Последнее обстоятельство существенно ухудшает быстродействие ключа. Действительно, на этапе выключения, когда транзистор Т1 быстро запирается, заряд паразитной емкости нагрузки происходит через высокоомную цепь − транзистор Т2. Даже при незначительной емкости (единицы пФ) постоянная времени цепи заряда составляет десятки наносекунд. Поэтому ключевые элементы на однотипных МОП −транзисторах применяются главным образом в БИС, где паразитные емкости незначительны и, кроме того, реализуются такие преимущества, как малая площадь, простота и низкая стоимость изготовления.

Ключ на комплементарных МОП-транзисторах. Схема и временные диаграммы работы ключа на комплементарных МОП−транзисторах приведены на рисунке 4.15. В нем затворы транзисторов объединены, исток Т1 подключен к общей шине, а исток Т2 − к шине источника питания Е_П.

Рисунок 4.15 – Ключ на МОП-транзисторах

Пусть на интервале 0...t1 на входе U_BX < U_ЗИ.ПОР1. Транзистор Т1 закрыт. Если при этом то транзисторT2 открыт. Ток в общей цепи определяется током утечки транзистора Т1, т. е. ничтожно мал.

Поэтому напряжение на низкоомном канале T2 тоже очень мало, и U_ВЫХ ≈ Е_П. При U_BX > U_ЗИ.ПОР1 и |U_ЗИ2| < |U_ЗИ.ПОР2| (рис. 4.15, б, t > t1) соответственно открыт T1 и закрыт Т2. Ток в общей цепи по-прежнему равен току утечки запертого транзистора (теперь уже Т2). Поэтому U_ВЫХ ≈ 0.

Итак, ввиду весьма малых остаточных напряжений на открытых транзисторах перепад выходных уровней ключа приближается к напряжению источника питания Е_П.

Выходное сопротивление ключа определяется сопротивлением открытого транзистора. В интересах повышения быстродействия оно делается по возможности малым. Благодаря этому быстродействие ключей на комплементарных МОП-транзисторах не уступает быстродействию ключей на биполярных транзисторах.

В обоих статических состояниях мощности от источника питания ключ почти не потребляет, так как один из транзисторов закрыт. Для избегания одновременного отпирания обоих транзисторов при переключениях, когда U_BX меняется в пределах 0 ... Е_П, необходимо обеспечить условие .

С увеличением частоты переключений растет средний ток перезаряда емкости нагрузки, обусловливая рост динамической потребляемой мощности. Она может стать ограничивающим фактором на допустимую частоту переключений и емкость нагрузки.