Тема №7. Ключові елементи на біполярних і уніполярних транзисторах

3. Ключовий режим МДН-транзисторів

3.1. Ключ з резистивним навантаженням

Схему такого ключа зі спільним витоком показано на рис.( 5.9, а). Затвор служить входом ключа, а стік – виходом. Як уже зазначалося, у цифровій техніці високий рівень напруги (струму) позначають через 1, а низький – через 0 (рівні логічної одиниці і логічного нуля). За відсутності вхідного (керувального) сигналу (U  GS = 0), транзистор закритий, потенціал на виході U  DS » ED. Закритий МДН-транзистор тим ближчий до ідеально вимкнутого ключа, чим менший залишковий струм IDSX проходить через канал і резистор RD. Він дорівнює зворотному струму стоковог р-п‑переходу і становить 10-9…10-10 A. Тому спадом напруги від залишкового струму на резисторі RD можна знехтувати і вважати, що напруга на закритому МДН-транзисторі дорівнює напрузі джерела живлення (див. рис. 5.9, б, 5.10, в). Статичний стан закритого ключа (режим відсікання) графічно зображено точкою А ( рис. 5.10, б).

 

Якщо на вхід поступає інформаційний сигнал, амплітуда якого перевищує рівень порогової напруги GS > UGST (рис. 5.10, а), то транзистор відкривається, починає проходити струм стоку ID. Робоча точка зміщується по лінії навантаження вверх залежно від амплітуди сигналу. В імпульсних і цифрових схемах у статичному режимі ключі знаходяться у двох станах: відсікання та насичення. Тому амплітуда керувального сигналу повинна бути такою, щоб робоча точка змістилася в точку В (див. рис. 5.9, б). Це – режим насичення. Відкритий МДН-транзистор тим ближчий до ідеально замкнутого ключа, чим менший спад напруги на ньому – залишкової напруги UDSзал. При цьому струм стоку  , який проходить через відкритий транзистор, так само, як і в ключі на БТ, задається зовнішнім колом: резистором навантаження RD та джерелом ED:

 = ( ED - UDSзал)/ RD = EDR.

Нахил вихідних характеристик МДН-транзистора на крутій ділянці, коли напруги на затворі великі, залежить від опору каналу. Зауважимо, що чим більше значення напруги на затворі UGS, тим крутіша початкова ділянка вихідної ВАХ, менший опір каналу і менша залишкова напруга UDSзал. Типові значення опору каналу не менші за 1 Ом, а у потужних транзисторів – десяті частки ома. Залишкова напруга має значення 100 мВ і менше. Треба звернути увагу на те, що залишкова напруга призводить до значної втрати потужності (через транзистор протікає максимальний струм стоку). Крім того, у цифрових пристроях використовують безпосередній зв’язок між ключами, а тому необхідно, щоб залишкова напруга була меншою від порогової напруги наступного ключа. Для зменшення UDSзал збільшують навантаження в колі стоку RD. Тоді лінія навантаження опускається вниз (точка С), залишкова напруга зменшується: UCDSзалUBDSзал. Але це істотно впливає на швидкодію схеми розглядається нижче ).

Швидкодію ключів визначають розрізнювальним часом t, який розраховують за тривалістю вмикання ton і вимикання toff.

Проаналізуємо перехідні процеси в ключі. Тут ураховують два фактори, що обумовлюють інерційність процесів ввімкнення та вимикання ключа – перезарядження ємності затвору із сталою часу tS та перезарядження міжелектрод­них і паразитних ємностей: C0 = C'GS + CDS + Cм, де C'GS – ємність затвор – витік ПТ, який використовується в навантаженні (в наступному ключі); См – паразитна ємність монтажу.

Розглянемо тривалість перехідних процесів у МДН-ключі з резистивно-ємнісним навантаженням. У початковому стані ключ вимкнутий, тран­зистор знаходиться в режимі відсікання. Ємність C0заряджена до напруги джерела живлення ED (рис. 5.9, б, точка А). Після подачі прямокутного імпульсу амплітудою UGS4 (рис. 5.10, а) протягом часу затримки ввімкнення td(on) формується новий (провідний) стан каналу. Цей процес визначається переважно перезарядженням ємності затвора із сталою часу tS (враховується поступове змінювання електричного поля від витоку до стоку). У загальному випадку затримка td(on) дуже мала.

Після того, як сформувався провідний стан каналу із затримкою ввімкнення td(on), ПТ відкривається і через канал починає протікати струм стоку За амплітуди вхідного сигналу UGS4струм стоку встановлюється на рівні ID4 (рис. 5.9, б, 5.10, б). Цей процес на рис.(5.10, б) зображено переходом робочої точки, який показано стрілкою А – А1. Але вихідна напруга через наявність ємності Сне може різко змінитися. Для розрядження цієї ємності необхідний певний час. Розряджається вона через відкритий транзистор спочатку струмом стоку ID4. Напруга на конденсаторі спадає до UADSsat, а робоча точка зміщується в положення A2. На кінцевому етапі процесу вмикання робоча точка переходить у положення В. Струм стоку зменшується до рівня  – струму насичення в точці В. Зазвичай тривалість увімкнення ключів визначають за інтервалом часу, протягом якого ключ переходить з режиму відсікання (ID ≈ 0) у режим насичення – стан, коли ПТ повністю відкритий і має мінімальний опір, чим забезпечується проходження максимального струму стоку IDsat ≈ ≈ ED/RD3 (визначається тільки зовнішніми елементами). Тривалість зростан­ня струму ключа tr – це інтервал часу, протягом якого вихідний імпульс зростає від 10 до 90 % від свого усталеного значення під час увімкнення. Ураховуючи особливість осцилограми струму стоку на ділянці А1 – А2 – В, тривалість наростання струму trвизначають через тривалість спадання напруги UDS (рис. 5.10, в). Тривалість спадання напруги на виході від ED до UВDSзал можна оцінити, поділивши накопичений на ємності заряд EDC0 на струм розрядження. Нагадуємо, що тривалість змінювання напруги на конденсаторі в межах (0,1…0,9)U дорівнює 2,3. t

Повний час увімкнення ключа на МДН-транзисторі з резистивним навантаженням ton = td(on) + tr» tr.

Розглянемо перехідні процеси під час вимикання ключа. У початковому стані транзистор відкритий і на ньому спадає невелика залишкова напруга UВDзал (рис. 5.9, б, рис. 5.10, в). З подачею на затвор негативного стрибка напруги (кінець дії інформаційного імпульсу) канал розформовується, струм в транзисторі зменшується майже до нуля зі сталою часу крутості tS. За час затримки вимкнення td(off) транзистор вимикається. На рис. (5.9, б) це зображено переходом робочої точки стрілкою В – В1. Напруга на виході все ще залишається на рівні UDBSзал. Починається зарядження ємності C0 від джерела живлення ED через резистор RD із часовою сталою t= RDC0. Вихідна напруга наростає за еспоненційним законом: UDS(t) = ED(1-e –1/ ).

Звідси можна визначити час зростання вихідної напруги: tf = 2,3RDC0. За цей час напруга на виході ключа досягає значення UDS ≈ ED . Робоча точка зміщується по лінії В1 – А. Тривалість вимкнення toff = tdoff + tf.

Отже, ємність C0 розряджається через відкритий транзистор значним струмом ID4, а заряджається через резистор RD (одиниці кілоомів), тому toff >> ton. Розрізнювальний час визначають так: t = toff + ton » toff.

Таким чином, як показано вище, для зменшення залишкової напруги доцільно збільшувати опір резистора в колі стока (лінія навантаження опускається, робоча точка зміщується в точку С, рис. 5.9, б), але це викликає збільшення сталої часу зарядження паразитних ємностей, тобто зменшує швидкодію ключа.

Для ключових схем потрібні транзистори, які відповідають спе­цифічній системі вимог, відмінних від вимог до транзисторів, працюючих у підсилювальних лінійних режимах. Тому промисловість випускає спеціальні ключові МДН-транзистори. Це необхідно враховувати під час проектування електронних пристроїв.

Перевагами ключових МДН-транзисторів порівняно з БТ є: високоомний вхід, що дає можливість використовувати безпосередній (гальванічний) зв’язок між ключами, висока швидкодія (тривалість перемикання 1…0,1 нс), суміщення високої швидкодії з високими напругами та струмами перемикання (до 10А за 10 нс), малий опір відкритого каналу, можливість пара­лель­ного вмикання транзисторів для збільшення потужності перемикання.