17. Ключи на моп-транзисторах.

Полевые транзисторы с изолированным затвором широко используются для построения ключевых схем. Такие ключи потребляют очень малый входной ток из-за большого входного сопротивления МОП-транзистора.

Известны три разновидности ключей на МОП-транзисторах: с резистивной нагрузкой, с динамической нагрузкой и комплементарные (КМОП) ключи.

МОП-ключ с резистивной нагрузкой.

В ключе отсутствует входной резистор, так как входное сопротивление полевого транзистора очень велико, и ограничение входного тока не требуется.

Отпирание n-канального транзистора происходит при положительном входном напряжении, превышающем пороговое значение . При низком входном напряжении транзистор заперт. В таком режиме ток стока не превышает и напряжением на нагрузочном резисторе можно пренебречь. Выходное напряжение .

Когда входное напряжение имеет высокий уровень , транзистор открыт и сопротивление канала мало. Выходное напряжение ключа .

МОП-ключ с динамической нагрузкой.

В интегральных схемах в качестве нагрузки удобно использовать не резистор, а второй МОП-транзистор. Это объясняется тем, что транзистор занимает на кристалле ИС значительно меньшую площадь, чем резистор. Транзистор VT1 называют нагрузочным, а транзистор VT2 – активным. Поскольку затвор и сток нагрузочного транзистора соединены, его канал открыт и имеет почти постоянное сопротивление.

Для того чтобы напряжение логического нуля на выходе схемы было мало, должно выполняться условие , т.е. характеристики транзисторов должны существенно отличаться. Известно, что удельная крутизна МОП-транзисторов определяется отношение геометрических размеров каналов. Если обеспечить тношение , то напряжение логического нуля на выходе будет составлять менее 100мВ.

18. Кмоп ключ. Анализ в статическом и динамическом режимах.

В цифровой электронике в качестве инверторов применяют транзисторные ключи.

Ключ с минимальным потреблением мощности можно реализовать на комплементарной (дополняющей) паре полевых транзисторов (рис. 1). В такой схеме используются два МОП-транзистора с индуцированными каналами n- и р-типов. Подложки обоих транзисторов соединены с истоками. Для определенности транзистор VT2 будем рассматривать как управляющий, а VT1 – как нагрузочный. Поскольку схема симметрична, можно рассматривать VT1 в качестве управляющего, а VT2 – нагрузочного. Результаты при этом будут аналогичны.

С татический резким работы КМОП-ключа. Если входное напряжение равно нулю, то транзистор VT2 находится в состоянии отсечки. Напряжение затвора р-канального транзистора VT1 равно –Е_с, напряжение , и он находится в линейном режиме. Таким образом, при выходное напряжение .

Эквивалентная схема КМОП-ключа, соответствующая случаю, когда входное напряжение имеет низкий уровень, показана на рис. 2, а. Транзистор VT2 эквивалентен разомкнутому идеальному ключу. Ненулевое сопротивление VT1 моделируется резистором R_си1, Его сопротивление определяет­ся выражением

Если входное напряжение имеет высокий уровень транзистор VT2 находится в состоянии насыщения, а VT1 – отсечки, и выходное напряжение не превышает 10 мВ. Эквивалентная схема ключа для этого случая показана на рис. 2, б. Теперь транзистор VT1 эквивалентен разомкнутому ключу, а ненулевое сопротивление VT2 моделируется резистором R_си2, сопротивление которого

Таким образом, схема на рис. 1 является логическим инвертором.

Транзисторы в схеме ключа рассчитывают так, чтобы они были согласованы, т. е. имели одинаковые (по модулю) пороговые напряжения и удельные проводимости:

Этим обеспечивается одинаковая нагрузочная способность ключа как в открытом, так и в закрытом состояниях. Поскольку приповерхностная подвижность дырок в 2—4 раза меньше подвижности электронов , для согласования ширину канала транзистора VT1 выбирают в 2-4 раза большей, чем у VT2.

Например, для 0.25-микронной технологии отношение подвижности носителей Поэтому для n-канального транзистора минимальное отношение размеров канала , а для р-канального

Перечислим основные свойства КМОП-ключа.

1. В обоих состояниях ключа один из транзисторов заперт, поэтому ток в цепи между источником и землей ничтожно мал, и в статическом режиме схема практически не потребляет мощность от источника питания.

2. В обоих статических состояниях выход схемы подключен к общей шине или источнику питания через небольшие сопротивления каналов от­крытых транзисторов. Поэтому выходное напряжение равно нулю или на­пряжению питания и почти не зависит от параметров транзисторов.

3. Разность выходных напряжений ключа в закрытом и открытом со­стояниях максимальна (близка к величине напряжения питания Е). Это обес­печивает высокую помехоустойчивость схемы.

4. КМОП-ключи обладают значительно большей нагрузочной способ­ностью, чем ключи на биполярных транзисторах. Входное сопротивление КМОП-ключа бесконечно велико. Поэтому к его выходу можно подключить большое число аналогичных ключей. При этом уровень выходного напряже­ния практически не изменится. Однако каждый дополнительный ключ уве­личивает емкость нагрузки, что приводит к замедлению переключения.

Д инамический режим работы КМОП-ключа. Переходные процессы в МОП-ключах обусловлены в основном перезарядом емкостей, входящих в состав нагрузки. Для упрощения анализа все емкости заменяют одной и включают ее между стоком и общей шиной (рис. 3). Типичные значения суммарной емкости у ключей, использующих транзисторы с длиной канала менее 1 мкм, не превышают 1 пФ. Заряд емкости происходит через открытый транзистор VT1 при закрытом VT2, а разряд – через VT2 при закрытом VT1. Если транзисторы согласованы, т. е. их удельные проводимости одинаковы, длительность переходных процессов в обоих случаях примерно равна.

О пределим приближенно время переключения схемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля. Предположим, что в момент t=0 на входе ключа действует прямоугольный импульс (рис. 4, а). Ключ VT2 переходит в режим насыщения. Начальный ток стока VT2

Выходное напряжение, равное напряжению на емкости нагрузки, начнет уменьшаться (рис. 4, б). Время переключения схемы равно интервалу t₁₀, за который выходное напряжение уменьшается до величины Е_с/2. Для упрощения анализа будем считать, что на интервале t₁₀ транзистор VТ2 находится в режиме насыщения, а ток стока постоянный. При сделанных допущениях напряжение изменяется линейно. Поэтому для интервала переключения справедливо приближенное равенство

Пороговое напряжение составляет обычно 0.2Е_С. Из предыдущих уравнений найдем, что . Полученное выражение является приближенным. Его значение состоит в первую очередь в том, что оно позволяет оценивать влияние параметров цепи на время переключения. Если транзисторы в схеме ключа согласованы, то время переключения из состояния логического нуля в состояние логиче­ской единицы t₀₁ также определяется этой формулой. Из нее также следует, что для уменьшения времени переключения необходимо уменьшить суммарную емкость и увеличить напряжение питания Е_с. Однако при увеличении Е_с растет и мощность, потребляемая ключом. Поэтому главный путь увеличения быстродействия – уменьшение емкости С_н.

КМОП-ключ является практически идеальным логическим инвертором. Быстродействие комплементарного ключа оказывается значительно выше, чем у других типов ключей. Совершенствование технологии производства КМОП-интегральных схем привело к тому, что в настоящее время они стали доминирующими при производстве цифровых схем не только высокой, но и средней степени интеграции.

Другое важное свойство комплементарного ключа заключается в очень малом потреблении энергии от источника питания в статическом ре­жиме. Определим динамические потери, т. е. мощность, рассеиваемую КМОП-ключом в процессе переключения. В процессе переключения на короткое время оба транзистора оказываются открытыми, что приводит к импульсу тока от источника питания. Ток ключа имеет максимальное значение, когда входное напряжение u_вх = u_зи = Е/2:

Однако время, в течение которого оба транзистора открыты, невелико, и большая часть потерь вызвана зарядом и разрядом емкости нагрузки.

Предположим, что на входе ключа действует последовательность прямоугольных импульсов, частота повторения которых равна f. При действии переднего фронта импульса транзистор VТ1 переходит в состояние отсечки, а VТ2 – насыщения. Емкость нагрузки разряжается через открытый канал транзистора VТ2. Энергия емкости, равная выделяется в виде тепла на сопротивлении канала VТ1. Точно так же при окончании импульса происходит заряд емкости нагрузки через открытый канал транзистора VТ\ . При этом выделяется энергия, равная . Общая энергия, рассеиваемая за время действия одного импульса, равна . Так как тактовая частота равна f, то динамические потери можно определить по формуле

Таким образом, для уменьшения динамических потерь необходимо уменьшать емкость нагрузки и напряжение питания схемы. Однако умень­шение напряжения приводит к снижению быстродействия. Поэтому главным путем повышения быстродействия и снижения потерь является уменьшение емкостей транзисторов и нагрузки.