Тема №7. Ключові елементи на біполярних і уніполярних транзисторах

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 » E_D. Закритий МДН-транзистор тим ближчий до ідеально вимкнутого ключа, чим менший залишковий струм I_DSX проходить через канал і резистор R_D. Він дорівнює зворотному струму стоковог р-п‑переходу і становить 10-⁹…10^{-10 A}. Тому спадом напруги від залишкового струму на резисторі R_D 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 U _GS > U_GST (рис. 5.10, а), то транзистор відкривається, починає проходити струм стоку I_D. 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 U_DSзал. При цьому струм стоку  , який проходить через відкритий транзистор, так само, як і в ключі на БТ, задається зовнішнім колом: резистором навантаження R_D та джерелом E_D:

 = ( E_D - U_DSзал)/ R_D = E_D/ R_D .

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 U_GS, тим крутіша початкова ділянка вихідної ВАХ, менший опір каналу і менша залишкова напруга U_DSзал. 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 U_DSзал збільшують навантаження в колі стоку R_D. Тоді лінія навантаження опускається вниз (точка С), залишкова напруга зменшується: U^C_DSзал< U^B_DSзал. Але це істотно впливає на швидкодію схеми розглядається нижче ).

Швидкодію ключів визначають розрізнювальним часом t, який розраховують за тривалістю вмикання t_on і вимикання t_off.

Проаналізуємо перехідні процеси в ключі. Тут ураховують два фактори, що обумовлюють інерційність процесів ввімкнення та вимикання ключа – перезарядження ємності затвору із сталою часу t_S та перезарядження міжелектрод­них і паразитних ємностей: C₀ = C'_GS + C_DS + C_м, де C'_GS – ємність затвор – витік ПТ, який використовується в навантаженні (в наступному ключі); С_м – 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 E_D (рис. 5.9, б, точка А). Після подачі прямокутного імпульсу амплітудою U_GS4 (рис. 5.10, а) протягом часу затримки ввімкнення t_d(on) формується новий (провідний) стан каналу. Цей процес визначається переважно перезарядженням ємності затвора із сталою часу t_S (враховується поступове змінювання електричного поля від витоку до стоку). У загальному випадку затримка t_d(on) дуже мала.

Після того, як сформувався провідний стан каналу із затримкою ввімкнення t_d(on), ПТ відкривається і через канал починає протікати струм стоку За амплітуди вхідного сигналу U_GS4струм стоку встановлюється на рівні I_D4 (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 С₀ не може різко змінитися. Для розрядження цієї ємності необхідний певний час. Розряджається вона через відкритий транзистор спочатку струмом стоку I_D4. Напруга на конденсаторі спадає до U^A_DSsat, 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 (I_D ≈ 0) у режим насичення – стан, коли ПТ повністю відкритий і має мінімальний опір, чим забезпечується проходження максимального струму стоку I_Dsat ≈ ≈ E_D/R_D3 (визначається тільки зовнішніми елементами). Тривалість зростан­ня струму ключа t_r – 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 t_rвизначають через тривалість спадання напруги U_DS (рис. 5.10, в). Тривалість спадання напруги на виході від E_D до U^В_DSзал можна оцінити, поділивши накопичений на ємності заряд E_DC₀ 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 t_on = t_d(on) + t_r» t_r.

Розглянемо перехідні процеси під час вимикання ключа. У початковому стані транзистор відкритий і на ньому спадає невелика залишкова напруга U^В_Dзал (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 t_S. За час затримки вимкнення t_d(off) транзистор вимикається. На рис. (5.9, б) це зображено переходом робочої точки стрілкою В – В₁. Напруга на виході все ще залишається на рівні U_D^B_Sзал. Починається зарядження ємності C₀ від джерела живлення E_D через резистор R_D із часовою сталою t= R_DC₀. Вихідна напруга наростає за еспоненційним законом: U_DS(t) = E_D(1-e ^–1/ ).

Звідси можна визначити час зростання вихідної напруги: t_f = 2,3R_DC₀. За цей час напруга на виході ключа досягає значення U_DS ≈ E_D . Робоча точка зміщується по лінії В₁ – А. Тривалість вимкнення t_off = t_doff + t_f.

Отже, ємність C₀ розряджається через відкритий транзистор значним струмом I_D4, а заряджається через резистор R_D (одиниці кілоомів), тому t_off >> t_on. Розрізнювальний час визначають так: t = t_off + t_on » t_off.

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.