Тема №7. Ключові елементи на біполярних і уніполярних транзисторах

3.3. Комплементарні ключі на МДН-транзисторах

У комплементарних ключах використовують два МДН-транзистори з каналами різної провідності (рис. 5.11, б). Така комплементарна пара МДН-транзисторів має з’єднані затвори і стоки. Якщо VТ1 має n-канал, то для живлення ключа вмикають джерело з позитивною напругою +Е_D. У такому разі VТ2 необхідно ввімкнути витоком до плюс Е_D, а стоком до стоку VТ1. Затвори обох транзисторів з’єднуються і утворюють вхід ключа. Якщо інформаційного сигналу на вході немає (U  _GS < U_GST), то VТ1 закритий. У цьому разі напруга між затвором і витоком VТ2 становить мінус Е_D, що перевищує значення U_GST, а значить VТ2 знаходиться в режимі насичення. Таким чином, VТ1 (n–канальний) – закритий, а VТ2 (p‑канальний) – відкритий. На виході формується високий потенціал. Якщо на затвори поступає керувальний сигнал (U¹_GS > U_GST), то VТ1 відкривається. Амплітуда керувального сигналу має бути такою, щоб забезпечити нерівність (Е_D– U  _GS) < U_GST, і тоді VТ2 закривається. У комплементарних ключах завжди один з транзисторів знаходиться у стані відсікання, а другий – у стані насичення (за винятком перехідних процесів).

В обох розглянутих режимах у комплементарних ключах вихідний струм стоку дорівнює залишковому I_DSX, оскільки завжди один з транзисторів комплементарної пари закритий і потужність джерела живлення у вихідному колі майже не споживається. Зниження вихідного струму до значення I_DSX у «відкритому» статичному стані МДН-транзистора забезпечує одночасно різке зменшення залишкової напруги на виході відкритого ключа до одиниць мікровольтів і менше. Малий залишковий струм свідчить про великий опір у колі стоку, а це зумовлює зміщення лінії навантаження вниз.

Особливістю динаміки перемикання комплементарної пари є майже повна симетрія процесів зарядження та розрядження ємності навантаження C₀: зарядження відбувається через відкритий транзистор VT2 (коли закритий VT1), а розрядження – через відкритий VT1 (коли закритий VT2). Тому тривалість вмикання та вимикання комплементарного ключа однакова. Швидкодія його значно вища від швидкодії розглянутих ключів на МДН-транзисторах.

Розглянуті типи ключів широко використовують в інтегральних цифрових схемах. На їх базі створено схеми МДН (МОН)-логіки. Формування транзисторів замість резисторів у ключах з динамічним навантаженням дозволяє збільшити щільність розміщення, оскільки МДН-транзистор займає на підкладці меншу площу, ніж резистор. У схемах ДМДН-логіки немає елементів (резисторів, діодів, конденсаторів) між виходом одного транзистора і входом другого. Це обумовлено високим вхід­ним опором. Комплементарні ключі використовують в інтегральних схемах комплементарної МДН-логіки (КМДН або КМОН).