1.1. Ключ на полевом транзисторе с управляющим p-n - переходом

Схема ключа на полевом транзисторе с управляющим p-n– переходом показана на рис.1.2.

Чтобы ключ был замкнут, т.е. транзистор открыт, напряжение между затвором и истоком должно быть равно 0 В. Однако, это условие соблюсти не так просто. Дело в том, что напряжение на входе ключа (на истоке транзистора) изменяется, например, в диапазоне 10 В. Таким образом, напряжение на затворе должно отслеживать напряжение на истоке. Чтобы транзистор был надежно закрыт, необходимо, чтобы управляющее напряжение было, по крайней мере, меньше минимального входного напряжения на величину напряжения отсечкиU_o.

Для управления ключом, может быть использована схема, показанная на рис.1.3. Пусть входной сигнал изменяется в пределах 10 В, а управляющий дискретный сигнал15 В. ЕслиU_упр= +15 В, то диодVDзакрыт. Так как входной ток полевого транзистора практически равен 0, то напряжение на затворе будет равно напряжению на истоке, т.е.U_зи= 0. Следовательно, транзистор будет открыт иU_вых=U_вх. ЕслиU_упр= -15 В, то диодVDоткрыт, даже в худшем случае, когда входное напряжение равно минимальному значению – 10 В. Напряжение на затворе транзистора около – 15 В, что на 5 В меньше минимального напряжения на истоке. Транзистор будет надежно закрыт. В этом режиме через резисторR₁течет ток от источника входного сигнала. Это не мешает нормальной работе схемы, т.к. выходное напряжение ключа равно 0. Величина резистораR₁может быть достаточно большой, например 1 МОм. ВеличинаR₁должна быть такой, чтобы при открытом транзисторе токи утечки затвора и обратный ток диода не создавали заметного запирающего напряжения транзистора на нем.

Нарушение нормальной работы схемы может произойти в том случае, если источник входного сигнала содержит разделительный конденсатор, который при закрытом транзисторе зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения. При этом напряжениеU_зистановится равным 0 и транзистор откроется. Схема замещения, иллюстрирующая этот случай, показана на рис.1.4. Заряд емкости до отрицательного управляющего напряжения удобно рассмотреть при входном напряжении равном 0.

1.2. Аналоговые ключи на кмоп – транзисторах

Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве коммутатора использовать МОП – транзистор с индуцированным каналом. Его можно перевести в открытое состояние, подавая управляющее напряжение больше, чем максимальное входное положительное напряжение, причем и в таком режиме работы ток затвор – канал будет равен 0. Таким образом, в этой схеме коммутатора отпадает необходимость в диоде и резисторе R.

Чтобы охватить возможно больший диапазон входных напряжений как в положительной, так и в отрицательной области, вместо одного МОП – транзистора используют КМОП – схему, состоящую из двух комплементарных МОП – транзисторов, включенных параллельно. Схема такого ключа показана на рис. 1.5.

Всхеме ключа треугольником обозначен цифровой инвертор. Если на вход инвертора поступает + 15 В, то на выходе у него напряжение равно – 15 В, и на оборот. Для того, чтобы перевести ключ в состояние "включено", к затворуn– канального транзистораVТ₁нужно приложить управляющее напряжение, равное, по меньшей мере, 2U_пор. , а к затвору р – канального транзистораVT₂– такое же напряжение противоположного знака. Таким образом,n– канальный транзисторVT₁пропускает сигнал от – 15В до + (15 В –U_пор), а р – канальный транзисторVT₂– от + 15 В до (-15 В +U_пор). При малых входных напряжениях оба транзистора открыты. Сопротивление транзистора зависит от величины входного напряжения, т.к. изменяется напряжениеU_зи. Однако, в данной схеме это не существенно. Так если входное напряжение увеличится, то напряжениеU_зиn– канального транзистораVT₁уменьшится, а его сопротивление увеличится. Одновременно напряжениеU_зир – канального транзистораVT₂увеличится, а его сопротивление уменьшится и компенсирует уменьшение сопротивление транзистораVT₁. При отрицательных входных напряжениях транзисторыVT₁ иVT₂ меняются местами.

Ключ закрывается при управляющем напряжении, равном – 15 В.

КМОП – ключи выполняются со встроенным преобразователем уровня управляющего сигнала, которые совместимы с выходными сигналами цифровых схем.

Время переключения ключей в зависимости от типа может быть от десятка до несколько сотен нС, сопротивление ключа от единиц до десятков Ом, коммутируемые напряжения U_п.