i:o шые транзисторы 391

сток - исток в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 25 до 100 Ом (.вкл) для ПТ, предназначенных для использования Б качестве аналоговых ключей. Схема не критична к значению уровня сигнала на затворе, поскольку он существенно более положителен, чем это необходимо для поддержания малого а потому его можно задавать от логических схем (лучше всего подходят логические уровни КМОП; можно использовать выход ТТЛ для получения уровней, соответствующих полному диапазону питания, с помощью внешнего транзистора, см. значения логических уровней в гл. 1) или даже ОУ: вполне годится +13 В с выхода схемы 741, так как напряжение пробоя затвора для МОП-транзистора обычно равно 20 В или более. Обратное смещение затвора при отрицательных значениях выхода ОУ будет давать дополнительное преимущество - возможность переключать сигналы любой полярности, как это мы опишем позже. Заметим, что ключ на ПТ - двунаправленное устройство, т. е. он может пропускать сигнал в обе стороны. Это легко понять - механический выключатель тоже обладает этим свойством.

Приведенная схема будет работать при положительных сигналах, не превышающих 10 В; при более высоком уровне сигнала напряжение на затворе будет недостаточным, чтобы удержать ПТ в состоянии проводимости (/?вк.т[ начинает расти); отрицательные сигналы вызовут включение ПТ при заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода канал - подложка). Если надо переключать сигналы обеих полярностей (т. е. в диапазоне от -10 до +10 В), то можно применить такую же схему, но с затвором, управляемым напряжением -15 В (ВКЛ) и +15 В (ВКЛ); подложка должна быть подсоединена к напряжению -15 В.

Для любого ПТ-ключа важно обеспечить сопротивление нагрузки в диапазоне от 10 до 100 кОм, чтобы предотвратить емкостное прохождение входного сигнала в состоянии ВЫКЛ , которое имело бы место при большем сопротивлении. Значение сопротивления нагрузки выбирается компромиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление выходного сигнала из-за делителя напряжения, образованного сопротивлением проводящего ПТ R и сопротивлением нагрузки. А так как /?вкл меняется с изменением входного сигнала, то это ослабление приведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая входной сигнал. В разд. 6.18 предложены некоторые возможные решения этой проблемы (многоступенчатые ключи, компенсация сопротивления /?вкл)- Привлекательной альтернативой является также применение еще одного ПТ-ключа, закорачивающего выход на землю, если ПТ, включающий сигнал, находится в состоянии ВЫКЛ ; таким образом формируется однополюсный ключ на два направления (подробнее об этом см, в разд. 6.18).

Аналоговые клюки на КМОП. Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом

Разомкнут

Управ--, ление

Входной/f

выходной

Замкнут

Выходной/ входное

случае описанная выше простая схема работать не будет, поскольку при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь достаточного смещения. Задача переключения таких сигналов решается применением переключателей на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП, рис. 6.34). Треугольник на схеме - это цифровой инвертор, который

мы сейчас вкратце опишем: он преобразует высокий уровень входного сигнала в низкий уровень выходного и наоборот. При высоком уровне управляющего сигнала Ту пропускает сигналы с уровнями от земли до Uqc без нескольких вольт. Аналогично Та пропускает сигнал с уровнями от Ucc до значения на несколько вольт выше уровня земли. Таким образом, все сигналы в диапазоне от земли до Ucc проходят через схему, имеющую малое сопротивление. Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба ПТ, размыкая таким образом цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от земли до (/сс- Это основа схемы КМОП передающего вентиля 4066. Как и описанные рацее ключи, эта схема работает в двух направлениях - любой ее терминал может служить входным.

Выпускается большое количество разнообразных КМОП-ключей в разных конфигурациях (например, несколько секций с несколькими полюсами каждая). Схема 4066 есть классическая схема аналогового вентиля на КМОП серии 4000 - просто другое название для аналогового ключа для сигналов в диапазоне от земли до положительного напряжения питания. Серии IH5040 и IH5140 фирмы Intersil и серия DG305 фирмы Siliconix очень удобны в употреблении: они используют управляющий сигнал от ТТЛ, опе-

Рис. 6.34,

МОм

Выходной -сигцап

47 КОМ

рируют аналоговыми сигналами до ±15 В, легко включаются в разнообразные конфигурации и имеют сравнительно малое сопротивление в состоянии ВКЛ (у некоторых из них 35 Ом). Фирмы Analog Devices и Harris также выпускают хоро- Землям шие аналоговые ключи. -15 -

Аналоговые ключи на ПТ с р-п-переходом.Т1олеъъ\& транзисторы Z р - п-переходом можно использовать и как аналоговые ключи, но нужна осторожность в отношении сигнала на затворе, чтобы не возник ток затвора. Типичная организация схемы показана на

-Выкя.

Управпениз

рис. 6.35. Напряжение затвора существенно ниже земли для удержания ПТ в состоянии отсечки. Это значпт, что если напряжение сигнала становится отрицательным, то напряжение затвора должно удерлси-ваться по крайней мере на t/n ниже наименьшего минимума сигнала. Для приведения ПТ в состояние проводимости управляющий сигнал должен стать больше максимального положительного значения входного сигнала. Когда ключ замкнут, диод имеет обратное смещение и затвор связан с истоком через резистор 1 МОм, т. е. находится под потенциалом истока.

Неуклюжесть этой схемы, возможно, способствует популярности аналоговых ключей на МОП-транзисторах. Тем не менее можно построить элегантную схему аналогового ключа на транзисторе z р - п-переходом, если использовать ОУ, так как можно связать исток ПТ с потенциальной землей в суммирующей точке инвертирующего усилителя. Тогда для включения ПТ . У г--надо просто подать потенциал T Ll земли на затвор. Этот способ L-J \Шь дает дополнительное преимущество, заключающееся в точной компенсации ошибок, возникающих из-за конечного значения R и его нелинейности.

Схема на рнс. 6.36 имеет две примечательные особенности: а) когда Ti включен (затвор заземлен),вся схема представляет собой инвертор с одинаковым полным сопротивлением в цепях входа и обратной связи. Это компенсирует все эффекты, связанные с конечностью и нелинейностью сопротивления включенного состояния, если ПТ согласованы по параметру Rgna- б) Благодаря малости напряжения отсечки схема будет работать при управляющем сигнале от нуля до +5 В, что удобно для работы с ТТЛ. Включение в инвертирующей схеме с присоединением истока Ti к потенциальной земле (суммирующая точка) упрощает работу схемы, так как нет колебаний сигнала на истоке Ti во включенном состоянии; диод препятствует включению ПТ при положительных сигналах и запертом Ti и не оказывает никакого действия при замкнутом ключе. Существуют jO-канальные ПТ о. р - -переходом, включенные в удобных конфигурациях и по низким ценам. Например, среди схем IH5009 - IH5024 есть устройства в корпусе DIP с четырьмя входными ПТ и одним компенсаторным ПТ, имеющими вкл около 100 Ом, ценой меньше двух долларов. Если добавить ОУ и несколько резисторов, то получится четырехвходовый мультиплексор (см. разд. 6.14).

Тот же прием компенсации ;? применяется и для МОП-транзисторных ключей.

7;,7-согласован-

УровниТТЛ аяпара

ОБ- -Вкп. Рис. 6.36. Коммутируемый усилитель с ключом на ПТ с р-п-переходом и с компенсацией Я^кл-

Сделаем здесь краткое отступление для обсуждения применения ПТ для создания логических ключей , управляющих логическими уровнями включения/выключения, а не переключателей непрерывных аналоговых сигналов, как мы только что описывали. Об этом более подробно будет сказано в гл. 8, но, чтобы двигаться дальше в изучении аналоговых ключей, важно сейчас разобраться в работе логического инвертора.

6.13. ПТ в качестве логических ключей

Полевые транзисторы, как и биполярные, могут применяться для включения нагрузки на землю (рис. 6.37). Это настоящий логический ключ: при возбуждении от логического уровня он находится в одном из двух состояний - вкл .ij

или ВЫКЛ (высокий или низкий

О

Нагррка

+10 В ОБ

Рис. 6.37.

а

Рис. 6.38.

уровень выходного сигнала соответственно). Включенный таким образом ПТ является хорошим устройством сопряжения между логической схемой и нагрузкой с большим током или большим напряжением, так как при возбуждении логическим сигналом затвор не проводит тока. Используя мощные вертикальные ПТ, можно коммутировать ток 10 А и более с помощью одного ПТ, возбуждаемого от уровней КМОП. Аналогично строятся инверторы на ПТ (рис. 6.38). Инвертор на п-канальном транзисторе снижает выходной сигнал до уровня земли при росте напряжения затвора, а jO-канальный инвертор подключает к резистору напряжение питания, когда на входе - уровень земли. Более детально эти п-канальные и ;0-канальные МОП-транзисторные ключи будут описаны в гл. 9.

Инверторы на КМОП. Обе предыдущие схемы имеют два недостатка: они потребляют ток во включенном состоянии и имеют относительно большое выходное сопротивление в выключенном состоянии. На рис. 6.39 показана лучшая схема. Ее можно назвать пушпуль-ным ключом : при уровне земли на входе выключается нижний транзистор и включается верхний и на выходе появляется высокий уровень сигнала. При высоком уровне входного сигнала {+Ucc) создается об-

ратное состояние - уровень выходного сигнала снижается до земли. Это инвертор с малым выходным полным сопротивлением в любом состоянии и без всякого тока покоя. Он называется КМОП-инвертором и является основной структурой всего семейства логических схем КМОП. Ниже об этом будет сказано подробнее, а пока ясно, что серия КМОП - это маломощные цифровые схемы с высоким входным полным сопротивлением и амплитудой выходного сигнала, равной полному диапазону питания. Надо заметить, что КМОП-инвер-торы обладают одним неприятным свойством: существует такая область напряжений входного сигнала, в которой оба ПТ проводят, что ведет к большому всплеску тока между точкой с потенциалом Ucc и землей. Некоторые последствия этого р^, логиче-явления будут рассмотрены в гл. 8 и 9 в связи cK g кмоп-инвер-с КМОП-логикой. тор.

Выход

6.14. Применение аналоговых ПТ-ключей

Интеграторы. На рис. 6.40 показаны два интегратора на ОУ, использующие ПТ-ключи для сброса в нуль конденсатора. В первой

И5-п.

Нправпение сбросом

Входной

а

Рис. 6.40.

100 кОм

-15-1 U

ипрайление сбросом *~

Входной 1 сигиад

схеме ПТ с р - п-переходом используется для закорачивания интегрирующего конденсатора. Так как это - м-канальное устройство обедненного типа, то, для того чтобы ключ был разомкнут, затвор должен иметь отрицательный потенциал. Диод и резистор в цепи затвора гарантируют, что во время разряда затвор будет иметь только нулевой потенциал. Так как исток также заземлен (инвертирующий вход есть потенциальная земля), нулевое напряжение на затворе приводит ПТ Б состояние проводимости. Эта схема работает лишь при положительной полярности выходного сигнала.

Во второй схеме в качестве ключа используется МОП-транзистор обогащенного типа. Здесь цепь затвора упрощена и схема работает с сигналами любой полярности. Если известно, что выходной сигнал имеет только положительную полярность, то напряжение сигнала на

затворе может изменяться от уров-

Вход 0-

Кл О

Бход 1 - Кл 1

Т

Вход 2 -

Вход 3 - Кл 3

Выход

ня земли до некоторого положительного значения при заземленном выводе подложки.

В разд. 6.18 приводится пример интересной схемной модификации, исключающей эффект токов утечки ПТ.

Логика выбора

О 1 .Адреса

Рис. 6.41.

Мультиплексоры. Хорошим приложением ПТ-ключей являются мультиплексоры - схемы, позволяющие выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Поскольку проводящий ПТ выглядит как резистор с малым сопротивлением,такая схема есть аналоговый, или линейный, мультиплексор, который будет прямо пропускать на выход напряжение с соответствующего входа. На рис.6.41 показана базовая схема такого устройства. Каждый из ключей от КЛ-0 до КЛ-3 есть передающий вентиль на КМОП, описанный в предыдущем разделе. Выбирающая логика декодирует адрес и задействует (жаргонный аналог слова включает ) только адресованный ключ, блокируя остальные. Такой мультиплексор используется обычно с цифровыми схемами, вырабатывающими адрес. Такая конфигурация может включать в себя блок накопления данных, в котором несколько входных сигналов поочередно опрашиваются, преобразуются в цифровую форму и записываются в память (или отправляются на вход какого-либо цифрового устройства, подсоединенного на линии ).

Так как передающие вентили - ненаправленные устройства, аналоговый мультиплексор является одновременно и демультиплек-сором , т. е. сигнал может быть подан на выход и снят с избранного входа. В гл. 8 и 9 будет показано, что аналоговый мультиплексор может быть применен в качестве цифрового мультиплексора-демуль-типлексора , поскольку цифровые логические уровни - это не что иное, как значения напряжения, трактуемые как нули и единицы.

Типичными аналоговыми мультпплексорами являются схемы се-риП 506, 507, 508, схемы IH6108 и IH6116 -8- и 16-входовые мультиплексоры, воспрпнг.мающие в качестве кода адреса логические уровни ТТЛ или КМОП и работающие с аналоговыми сигналами до 35 В. Приборы 4051-4053, входящие в семейство цифровых схем КМОП, являются аналоговыми мультиплексорами-демультиплексорами, имеющими до восьми входов, но уровень аналогового сигнала, ограниченный 15 В.

Схемы слежения-л-/?а енйя. ПТ-ключи являются основой схем слежения - хранения и пиковых детекторов . На рис. 6.42 показана основная идея такой схемы. ИСх - это повторитель, дублирующий

Входной сигнал +15 В

-15В

ПТ-вход

+15 I-I Слежение

Выходной сигнзл

Храненич

Рис. 6.42.

входной сигнал с низким полным сопротивлением. Ti проводит сигнал во время слежения и отсекает его в период хранения. Уровень сигнала, имевший место в момент выключения Ti, сохраняется на конденсаторе С. ИСа - это повторитель с высоким входным полным сопротивлением (ПТ-входы), поэтому ток разряда конденсатора в период хранения минимален. Значение емкости С выбирается на основе компромисса: с одной стороны, ток утечки Ti и повторителя приводят к падению напряжения на конденсаторе во время хранения согласно формуле dU/dT=IyJC, поэтому С должно быть большим, чтобы уменьшить эти потери; с другой стороны, сопротивление включенного транзистора Ti образует совместно с конденсатором С фильтр нижних частот, поэтому С должно быть поменьше, чтобы сигналы с высокой скоростью изменения не претерпевали искажений. ИС должна быть способна обеспечить ток заряда конденсатора [I=C{dU/dt)] и должна иметь достаточную скорость нарастания для повторения входного сигнала. Практически же скорость нарастания для всей схемы будет ограничена током выходного сигнала HCi и сопротивлением включенного транзистора Т^. Улучшенную схему слежения-хранения см. Б разд. 6.18.

Упражнение 6.7. Предположим, что HQ может обеспечить ток выходного сигнала 10 мА, а С=0,01 мкф. Какова будет максимальная скорость нарастания входного сигнала, который схема способна точно отследить? Если сопротивление Г, во включенном состоянии равно 50 Ом, то какова будет ошибка выходного сигнала при скорости нарастания входного сигнала 0,1 В/мкс? Если общая утечка Ту и Tj равна 1 нА, какова будет скорость падения напряжения из конденсаторе в состоянии хранения?

Полевые транзисторы полезны и в схемах пиковых детекторов, в которых на конденсаторе хранится максимальное напряжение входного сигнала за период. Одна из возможных конфигураций таких схем

+jJ- Сброс

Рис. 6.43.

показана на рис. 6.43. HCi доводит напряжение на конденсаторе до наибольшего значения сигнала за период времени, в течение которого последний импульс установки (записи) приложен к затвору Ту. ИСа является буфером выходного сигнала. HQ может быть охвачена петлей обратной связи, включающей в себя конденсатор Су, но, хотя такое включение облегчает устранение погрешностей, есть риск потери устойчивости. ИСа должнэ быть операционным усилителем с ПТ-вхо-дом, а Ду должен быть диодом с малой утечкой для уменьшения спада выходного уровня.

6.15. Недостатки ПТ-ключей

Быстродействие. ПТ-ключи имеют сопротивление во включенном состоянии от 25 до 200 Ом. Это сопротивление образует в комбинации с емкостью подложки и паразитной емкостью фильтр нижних частот, который ограничивает рабочие частоты схемы значениями в несколько мегагерц и даже ниже. Полевые транзисторы с меньшим сопротивлением во включенном состоянии имеют большую емкость, так что выигрыша в скорости нарастания сигнала они не дают.

Сопротивление в открытом (включенном) состоянии.

Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (скажем, 15 В), будут иметь малые значения Я^кл во всем диапазоне значений сигнала, поскольку всегда тот нли другой из проводящих

транзисторов будет иметь прямое смещение затвора, равное по крайней щере половине напряжения питания. Однако при меньшем напряжении питания сопротивление ключа /j, будет расти, и его максимум имеет место при уровне сигнала, среднем между напряжением питания и землей или между двумя напряжениями питания при двуполярном

Шпряжевме сип;ала

Напряжение сигнала

Рис. 6.44.

/ - п-кэнальный; 2 - р-канальный.

Рис. 6.45.

питании. На рис. 6.44 показано, почему это случается. За счет уменьшения t/cc ПТ приобретает значительное сопротивление во включенном состоянии при /зи=0,5 t/cc, так как для ПТ обогащенного типа (/п составляет по крайней мере несколько вольт и для достижения малых значений /?вкл требуется напряжение затвор - исток не меньше чем 5-10 В. Мало того, что параллельное сопротивление двух ПТ увеличивается при уровне сигнала, среднем между уровнем питания и землей, этот пик при уровне сигнала 0,5 1/сс растет по мере уменьшения t/cc, и при слишком малом t/cc ключ для сигналов с уровнем около 0,5 t/cc будет представлять разомкнутую цепь. На рис. 6.45 показано это поведение величины R при нескольких достаточно малых значениях t/cc-

Динамические помехи. Во время переходных процессов от включенного состояния к выключенному и обратно могут возникать неприятные эффекты из-за емкостей затворов ПТ. Скачок управляющего сигнала, поданный на затвор, проходит через емкость затвор - канал и может исказить коммутируемый сигнал до неузнаваемости. Эта ситуация наиГолее серьезна при уровнях сигнала, соответствующих высокому сопротивлению ключа. Подобные эффекты возможны и в мультиплексоре во время изменения адреса канала; кроме того, в мультиплексоре возможно мгновенное соединение входов через открытые ключи, если задержка выключения канала превосходит задержку включения.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. На рис. 6.46 показана форма выходного сигнала, которую можно увидеть на выходе аналогового ключа, схема которого приведена на рис. 6.33 при нулевом уровне входного сигнала и нагрузке, состоящей из сопротивления 10 кОм и

15цждени5Г

Выходной сигнап

400 Пам в

параллельной ему емкости 20 пФ,-вполне реальные значения для схемы аналогового ключа. Эти красивые переходные процессы вызваны переносом заряда в канал через емкость затвор - канал и изменением напряжения затвора. Последнее делает резкий скачок от одного уровня питания до другого, в нашем случае - от ±15 В до противо-Сшш воз- i положного значения =F 15 В, перено-

ся заряд величины Q=±C(t/3 выс- -3 низ), где Сзк - емкость затвор - канал, обычно около 5 пФ. Заметим, что величина переносимого заряда зависит только от полного изменения напряжения затвора и не зависит от времени, в течение ко-Рис. 6.46. торого происходит это изменение.

Замедление изменения сигнала на затворе вызывает меньшую по амплитуде, но более долгую по времени динамическую помеху с той же площадью под графиком. Фильтрация выходного сигнала ключа фильтром нижних частот даст тот же эффект. Такие меры могут помочь в тех случаях, когда важно добиться малого пика амплитуды динамической помехи, но в смысле исключения пропускания управляющего напряжения затвора на выход они неэффективны. В некоторых случаях можно предсказать величину емкости затвор - канал с достаточной точностью, для того чтобы погасить выбросы путем добавки инвертированного сигнала затвора через небольшой переменный конденсатор.

Емкость затвор - канал распределена по всей длине канала, а это значит, что полный заряд (помехи) частично определяется входной цепью управления ключа. В результате величина динамической помехи выходного сигнала зависит от полного сопротивления источника сигнала и будет наименьшей в том случае, когда ключ управляется источником напряжения. Конечно, уменьшение полного сопротивления нагрузки уменьшит величину динамической помехи, но неизбежно приведет к росту статической погрешности и нелинейности за счет конечного значения параметра /?вкл-

На рис. 6.47 приведены для сравнения кривые переноса заряда для трех типов ключей. Во всех трех случаях сигнал на затворе меняется в полном диапазоне, т. е. на 30 В для /7-канальных МОП-транзисторов и КМОП и от -15 В до уровня сигнала - для ключей на п-канальных ПТ с р - п-переходом. Для ключа на ПТ с р - га-переходом существует сильная зависимость величины динамической помехи от сигнала, поскольку изменение напряжения затвора пропорционально разности между уровнем сигнала и уровнем -15 В. Ключи на КМОП имеют относительно малую динамическую помеху, так как попадающие в канал заряды у комплементарных МОП-транзисторов стремятся компенсировать друг друга (когда на одном затворе напряжение растет, на другом - падает). Чтобы дать представление о масштабе этих эффектов, скажем, что заряд 30 пКл соответств)ет разно-