Фильтры с переключаемыми конденсаторами

В рассмотренных ранее активных фильтрах при обеспечении заданной полосы пропускания, особенно в низкочастотной области, получаются значения номиналов резисторов и конденсаторов достаточно большими («R» примерно сотни кОм, «С» примерно несколько мкФ). Получить такие элементы в интегральных схемах невозможно.

В интегральных схемах фильтров, выполненных по твердотельной технологии, для реализации резисторов больших номиналов используют небольшие емкости (примерно 10 пФ), как правило, это емкость МДП-транзистора (МДП – металл, диэлектрик, полупроводник) и ключевые элементы на этих же транзисторах.

Мдп-транзисторы (полевые транзисторы с изолированным затвором)

Так как в качестве диэлектрика в основном используется окись кремния SiO₂, то эти транзисторы называют МОП-транзисторами (МОП – металл, окись, полупроводник).

Эти транзисторы подразделяются на две большие группы:

1. Транзисторы с индуцированным каналом проводимости.

2. Транзисторы со встроенным каналом проводимости.

Рассмотрим структуру транзистора с индуцированным каналом проводимости

Рис. 76. Структуру транзистора с индуцированным каналом проводимости

В исходной базовой пластинке п кремния выполнены две p-области. К одной из областей подключен металлический электрод истока, к другой – металлический электрод стока. Металлический электрод затвора изолирован от базовой пластинки окисью кремния (SiO₂), отсюда и следует название транзистора (получается структура конденсатора).

При нулевом напряжении на затворе относительно истока канал проводимости между стоком и истоком отсутствует. При увеличении отрицательного напряжения на затворе относительно истока электроны от приповерхностного слоя кристалла будут отталкиваться вглубь полупроводника, поэтому в приповерхностном слое начнется преобладание числа дырок над электронами, и p-области соединятся между собой (на рис. 112. обозначено пунктиром). То есть между стоком и истоком образуется канал проводимости.

При подключении питания к стоку возникает электрический ток между стоком и истоком. Величиной этого тока легко управлять, изменяя напряжение на затворе.

Рассмотрим структуру транзистора со встроенным каналом проводимости. Такие транзисторы имеют сформированный канал проводимости в процессе изготовления (отсюда его название).

Рис. 77. Структуру транзистора со встроенным каналом проводимости

Отличие этих транзисторов по принципу работы заключается в следующем: транзисторы с индуцированным каналом могут работать в режиме обогащения канала носителями заряда, а транзисторы со встроенным каналом проводимости работают как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения.

В зависимости от материала полупроводника, из которого изготовлен канал транзистора, различают транзисторы с встроенным каналом n типа и транзисторы с встроенным каналом р типа, как показано на рис. 115.

с каналом р-типа с каналом п-типа

Рис. 78. Обозначение полевых транзисторов

со встроенным каналом проводимости

Рассмотрим типовую ячейку для реализации резистора, которая показана на рис. 79.

Рис. 79. Типовая ячейка для реализации резистора

Для работы этой ячейки необходимы две последовательности импульсных сигналов, показанные на рис. 80, следующих с периодом синхронизации Т_с, где .

Рис. 80. К пояснению типовой ячейки для реализации резистора

Пусть при высоком уровне сигнала открыты верхние транзисторы VT₁ и VT₂, при этом конденсатор зарядится до напряжения и накопит заряд. В следующий полупериод при высоком уровне сигналабудут открыты транзисторы VT₃ и VT₄, и конденсатор разрядится.

В процессе разряда и заряда конденсатора за период через него будет протекать ток:

,

(132)

где

(133)

Таким образом, получается, что эта ячейка является эквивалентом следующего резистора:

Рис. 118. Эквивалентная схема типовой ячейки