1.3. Ключевые каскады на полевых транзисторах.

Простейший ключевой каскад на полевом транзисторе с p-каналом и управляющим pn-переходом показан на рис. 1.19.

Рис. 1.19	Рис. 1.20

Будем считать, что каскад управляется от источника с очень малым выходным сопротивлением, т. е. от генератора напряжения . При , где - напряжение запирания транзистора, полевой транзистор заперт. При этом можно считать, что . При (в частности, при ) транзистор включен. Положение рабочей точки на стоковой характеристике отмечено на рис. 1.20; предполагается, что сопротивление нагрузки в цепи стока , т. е. рабочая точка попадает на крутой участок ВАХ. Остаточное напряжение в этом случае минимально: , где .

Паразитные емкости транзистора и нагрузки обусловливают конечные значения длительности фронта и среза выходного сигнала.

Рассмотрим воздействие на вход каскада переднего фронта входного сигнала, который будем считать идеально крутым (рис. 1.21).

Допущение о нулевом выходном сопротивлении и бесконечной мощности источника входных импульсов позволяет сделать вывод о

том, что, несмотря на наличие емкости , напряжение на затворе изменяется практически мгновенно. Скачок напряжения на затворе вызывает скачок выходного напряжения, вызванный делением между емкостью и паразитной емкостью, включенной между стоком и истоком.
	Рис. 1.21

Динамическая эквивалентная схема каскада при отпирании транзистора приведена на рис. 1.22.

	Затвор и исток по переменной составляющей сигнала замкнуты через нулевое выходное сопротивление источника ; следовательно, замкнута и емкость . Остальные элементы эквивалентной динамической схемы транзистора объединены пунктирным контуром.
Рис. 1.22

Емкости и соответствуют емкости монтажа и нагрузки в выходной цепи. Между истоком и стоком транзистора включен конденсатор и скачок напряжения на выходе . Так как обычно , то . После скачка выходного напряжения, связанного с перераспределением напряжений на паразитных емкостях при воздействии скачка входного сигнала, начинается процесс изменения выходного напряжения от до . С учетом динамической эквивалентной схемы (рис. 1.22), этот процесс имеет постоянную времени , где . Длительность фронта выходного сигнала .

После завершения формирования фронта импульса на выходе схемы установится напряжение . Положительный перепад входного сигнала от нулевого уровня до уровня вызывает запирание транзистора. После скачка выходного напряжения , связанного с перераспределением напряжений на паразитных емкостях схемы, начинается заряд паразитной емкости от источника через .

Динамическая эквивалентная схема выходной цепи каскада при запертом транзисторе показана на рис. 1.23. С учетом указанной эквивалентной схемы каскада постоянная времени цепи заряда паразитной емкости , а
	Рис. 1.23

длительность среза импульса , откуда видно, что .

Ключевой каскад на МДП-транзисторе (рис. 1.24) работает аналогично. При небольшом отрицательном напряжении транзистор включен, при отрицательном напряжении транзистор заперт. Для уменьшения мощности, рассеиваемой
	Рис. 1.24

на ключевом транзисторе, и ускорения разряда паразитных емкостей вместо линейного резистора часто используют полевой транзистор (динамическую нагрузку), имеющий проводимость канала, отличную от проводимости ключевого транзистора.

Пример такой схемы на МДП-транзисторах с индуцированными каналами показан на рис. 1.25. Ключевой транзистор VT1 имеет канал n-типа, нагрузочный транзистор VT2 - канал р-типа. Следует, однако, отметить, что деление транзисторов на ключевой и нагрузочный условно, поскольку при работе
	Рис. 1.25

ключевого каскада переключаются оба транзистора. Обозначим через напряжение запирания транзистора VT₁, через - напряжение запирания транзистора VT₂. Тогда при транзистор VT₁ заперт, а транзистор VT₂ открыт, так как для него напряжение затвор - исток . При этом обеспечивается соотношение . Сквозной ток через каналы транзисторов равен нулю, так как в этой цепи включен транзистор VT₁, проводимость канала которого равна нулю. Потребление мощности ненагруженной схемой в статическом режиме равно нулю.

При транзистор VT₁ открыт, а транзистор VT₂ заперт, сквозной ток через каналы транзисторов снова отсутствует и ненагруженная схема мощности практически не потребляет. В течение длительности фронта выходного импульса может оказаться, что проводят оба транзистора и через каналы пройдет импульс сквозного тока. Этот ток появляется при . За счет импульсов сквозного тока мощность рассеяния каскада при большой частоте переключений может увеличиться. Для исключения импульсов сквозного тока напряжение питания следует выбирать из условия .

Если указанное условие обеспечено, то стоковый ток транзисторов идет практически только на перезаряд паразитных емкостей в выходной цепи. Паразитная емкость заряжается током стока включенного транзистора VT₂, а разряжается током стока включенного транзистора VT₁. В обоих случаях в цепи перезаряда имеется канал транзистора, включенного с малым сопротивлением.

Коэффициент использования питающего напряжения . Действительно, при открытом транзисторе VT₁ , так как напряжение на выходе получается за счет деления напряжения между сопротивлениями каналов транзисторов VT₁ и VT₂. Второе из этих сопротивлений очень велико. При открытом транзисторе VT₂ , так как очень велико сопротивление канала транзистора VT₁. Амплитуда выходного сигнала близка к , а .

Благодаря высокому значению , малой потребляемой мощности, быстрому заряду и разряду паразитных емкостей ключевые схемы на полевых транзисторах с разной проводимостью каналов нашли широкое распространение в интегральных переключающих устройствах.