сти потенциалов в 3 мВ на конденсаторе емкостью 0,01 мкФ. Это значительная емкость для конденсатора фильтра, и видно, что это действительно проблема, так как помеха в 3 мВ - это существенная погрешность при работе с аналоговыми сигналами низкого уровня.

ZOQr

Рис. 6.47. Зависимость заряда помехи у различных ПТ-ключей от напряжения управляющего сигнала.

/ - МОП-траизистор; 2 - ПТ с р-п-переходом; 3 - КМОП-логические элементы.

Предосторожности в обращении. У МОП-транзистора очень высокое входное сопротивление и умеренное напряжение пробоя; из-за этого он легко может быть поврежден статическим электричеством. Обычно это выглядит так: вы берете в руку МОП-транзистор или содержащее его устройство, подходите к схеме, втыкаете устройство на место и затем, включив питание, убеждаетесь, что МОП-транзистор мертв. А убили его вы сами! Вам следовало взяться за схему другой рукой, когда вы вставляли в нее устройство. Таким образом был бы снят ваш статический заряд, который зимой может достигать нескольких тысяч вольт. МОП-транзисторные устройства не любят, когда их стукает током . Как проводник статического электричества, вы представляете собой последовательное соединение конденсатора 100 пФ и резистора около 1 kOm1>; зимой этот конденсатор может зарядиться до 10 кВ от трения подошв об пушистый ковер (даже движение руки в рукаве рубашки или свитера может дать напряжение в 1 кВ).

МОП-транзисторные устройства перевозятся в проводящей пенопластовой упаковке или проводящих футлярах. Следует также быть Осторожным во время работы с паяльником и т. д. Лучше всего заземлять корпуса паяльников, крышки столов и т. д., а также пользоваться проводящими браслетами. Как только устройство впаяно на свое

Не совсем точно; для сухой здоровой кожи мужчины можно положить примерно 30-50 кОм, для женщин и подростков - раз в десять меньше,- Прим. ред.

место в схему, шансы на его повреждение резко падают, тем более что многие МОП-транзисторные устройства имеют предохранительные диоды во входных цепях затворов. Хотя цепи внутренней защиты, состоящие из резисторов и обратно включенных (иногда зенеровских) диодов несколько ухудшают параметры, их все же стоит применять для уменьшения риска повреждения статическим электричеством. Если ПТ снабжен предохранительным металлическим нли резиновым кольцом i> вокруг выводов, не снимайте его, пока ПТ не вмонтирован в схему.

ПРИМЕРЫ СХЕМ НА ПТ

-а

0,001 мкФ

ю

0,1 мкФ

6.16. Усилители

Усилитель переменного тока со следящей связью. ПТ часто применяются ради получения крайне высокого входного сопротивления. При работе с сигналами постоянного тока огромные значения (от IQi- до О Ом) используются полностью, но при связях по пере-

менному току резистор входного Uqq смещения снижает входное сопротивление. Эгот резистор смещения может быть очень большим (порядка многих МОм), но он все же \Q 5 будет определять уменьшенное зна-

2 в чение входного сопротивления, по

крайней мере на низких частотах. 2N3565 На рис. 6.48 показан простой спо-

соб избежать этого путем использования принципа следящее связи.

%-о-Выход Как и при следящей связи в схе-

fHI J* ме с биполярными транзисторами,

резистор смещения разбит на два и

переменная составляющая сигнала подведена к точке соединения Ri и Ri. Резистор в цепи базы транзис-Рис. 6.48. тора Ti обеспечивает нагрузку ти-

па источника тока для истока Ti (как описывалось в разд. 6.08), в результате коэффициент передачи по напряжению очень близок к единице, а эффективное значение Ri получается порядка 1000 МОм при коэффициенте усиления по напряжению 0,99. Чтобы при проектировании схемы обеспечить действительно высокое полное входное сопротивление, важно иметь очень малую входную емкость, иначе емкостное реактивное сопротивление на частотах сигнала смажет весь выигрыш от следящей связи в цепи смещения. Поэтому в этой схеме введена следящая связь в цепь стока

jrCM

momX

0,1 мкФ

8,2 kOM

*> Резиновое кольцо должно обеспечивать короткое замыкание затвор - подложка при хранении и монтаже,- Прим. ред.

Полеше транзистора

через конденсатор для компенсации действия емкости затвор - сток. Так как емкость затвор - исток находится под действием естественной следящей связи через повторитель, то остаточная входная емкость зависит только от паразитной емкости (емкости проводов). Если входной сигнал подводится по какому-нибудь кабелю, то для уменьшения эффективной емкости кабеля до пренебрежимо малых значений можно использовать защитное включение кабеля, описанное в разд. 6.08.

Каскодные схемы на ПТ. Полевые транзисторы хороши в качестве высокочастотных усилителей благодаря малой проходной емко-

+20 в

15 КОм

+5В

0,01 Ф

kOmU

to ком -Выход

Бхоц-I! -

С, 0,01

Shin

1,0 kOm

1£I

Рис. 6.49. Каскодные схемы на ПТ с р- -переходом,

сти. Как и в схемах с биполярными транзисторами, основной вклад в высокочастотный спад дает эффект Миллера, и точно так же он уничтожается в каскодной схемной конфигурации. Один из вариантов подобных схем представлен на рис. 6.49. В схеме рис. 6.49, а парные п-канальные ПТ с р - п-переходом соединены в каскодную схему,

подобную схеме на биполярных транзисторах. Затвор смещен на +5 В, чтобы обеспечить рабочее напряжение на стоке Ту. Ту имеет автоматическое смещение, что обычно для ПТ обедненного типа.

Выпускаются обедненные МОП-транзисторы со сдвоенными затворами; их применение в каскодных схемах естественно. На схеме рис. 6.49, б такой прибор нарисован в виде двух МОП-транзисторов с двумя затворами. Представьте себе, что сток нижнего ПТ соединен с истоком верхнего, как показано штриховыми линия.ми (их рисуют только в учебниках). Эта схема имеет настроенные на определенную частоту контуры на входе и выходе, как это обычно делается в усилителях высокой частоты, предназначенных для работы в узкой полосе частот (в широкополосных схемах можно в цепях затвора и стока применять не резисторы, а трансформаторы высокой частоты). ПТ с двойным затвором предназначены для работы в усилителях высокой частоты (они хороши на частотах 250 МГц и более, а также в качестве смесителей). Подробнее об этом будет сказано в гл. 13.

Применяя ПТ с малым разбросом /с нач, можно построить каскодный каскад с упрощенным смещением, как показано на рис. 6.49, в. Для транзистора типа 2N5953 справедливо неравенство 2,5 мА< </снач<5 мА, а для ПТ типа 2N5950 - 10 мА</с нач<15 мА, поэтому эта схема работает при /с ач нижнего ПТ и с обратным смещением затвора верхнего ПТ, соответствующим протекающему через него току стока.

На схеме рис. 6.49, г в конфигурации, аналогичной схеме 6.49, в, применены каскодно включенные ПТ, выполненные в виде отдельного прибора. Как и прежде, отдельный источник смещения для верхнего транзистора не нужен. Эти приборы имеют очень малый емкостный входной ток благодаря уменьшенной емкости сток - затвор. Они выпускаются в виде сборки из двух каскодных схем в одном корпусе и имеют очень малые отклонения по напряжению, так как каскодное включение улучшает согласование по (/си- За счет этого удается строить помехозащитные повторители, описанные в разд. 6.08, с хорошими характеристиками.

На схеме рис. 6.49, д показана комбинированная каскодная схема с простой схемой смещения. К этой схеме можно пристроить на выходе биполярный транзистор. Такая структура показана на cxe.\ie рнс. 6.49, е, где применена обратная связь по постоянному току для установления точки покоя на уровне 16(/бэ, или около 10 В. Конденсатор Су снимает обратную связь на частотах сигнала, что дает максимум коэффициента усиления на переменном токе, соответствующий усилению без обратной связи.

Линейные усилители на КМОП. Как мы упоминали в разд. 6.07, простейшим способом получения в усилителе на ПТ большого коэффициента усиления на один каскад является использование в цепи стока активной нагрузки вместо резистора. Один из путей реализации такой схемы - использование токового зеркала в качестве

Полевые тратиторы

нагрузки дифференциального каскада на ПТ. Эффективной схемой одиночного выходного каскада является схема на комплементарных МОП-транзисторах, а именно КМОП-инвертор (рис, 6.50). Верхний (р-канальный) транзистор служит нагрузкой для нижнего (п-каналь-

Рис. 6.50.

10 10

1 10 10 10 10

Частота,

ного), и наоборот. Это классическая схема КМОП-инвертора, которая уже встречалась в качестве логического ключа и о которой еще пойдет речь в гл. 8 и 9 в связи с цифровыми логическими элементами. Популярность этих схем связана в основном с их простотой и дешевизной, так как ИМС сборки из шести КМОП-инверторов стоят меньше полдоллара.

У этого усилителя очень высокий коэффициент усиления при уровне входного сигнала, меньшем половины значения напряжения питания. Передаточная характеристика такого усилителя показана на рис. 6.5 . Характер изменения вых и gfm в зависимости от тока стока таков, что максимальный коэффициент усиления по напряжению получается при малых токах стока, т. е. при низком напряжении питания (порядка 5 В). Недостатками этой схемы являются относительно высокое выходное сопротивление, особенно при малых токах стока, нелинейность и большой разброс коэффициента усиления. Тем не менее эта схема проста и дешева, поэтому ее иногда Рис. 6.51. применяют для усиления малых входных сигналов, форма которых несущественна. Примеры применения таких схем - усилители сигналов переменного тока сетевой 4actOTbi, генераторы с кварцевыми резонаторами и устройства с частотной модуляцией и частотной манипуляцией.

Заметим, что обратная связь по постоянному току необходима для выведения КМОП-усилителя в активный режим. На рис. 6.52 пока-

очень большой коэффициент цсипения для малых, сигналов

зано несколько примеров. Резистор обратной связи по постоянному току в схеме а снижает входное полное сопротивление, так как создается параллельная отрицательная обратная связь не только по постоянному току, но и на частотах сигнала. Поэтому если важно яметь

-П П-ГХ

Вь1Ход

10 Шм

4,7 МОм 4ЛМ0М

ггМКФ

20 пФ

и

Рис. 6.52.

Схемы линейных МОП-усилителей.

высокое входное сопротивление на частотах сигнала, то применяют

вторую схему (рис. 6.52, б). Третья

МОм

( сБОмкА

100 кОм

Нг 500 КОМ

6,2 Ом

схема - это использующий КМОП-усилитель классический генератор с кварцевой стабилизацией, описанный в разд. 4.16.

6.17. Источник опорного напряжения на ПТ

Так как напряжение отсечки т с р - п-переходом слабо зависит от температуры, то можно построить маломощный источник опорного напряжения, использующий напряжение отсечки (рис. 6.53). В первой схеме падение напряжения на Ri есть, в сущности, напряжение отсечки транзистора Ти поскольку ток стока - всего несколько микроампер. R дает возможность устанавливать напряжение выходного сиг-

1> Напряжение отсечки имеет дрейф, равный дрейфу контактной разности потенциалов, т. е. около 2 мВ/°С. Для прямосмещенного р-/г-перехода это много - около 0,4%/°С, но для напряжения отсечки, которое раз в десять больше, это составляет всего ~ 0,05%/°С.- Прим. ред.

и

500 кОм

Я б

Рис. 6.53. ПТ-опорные источники напряжения, используюшле U.

нала, так как напряжение отсечки падает на верхнем плече делителя, образованного резисторами Ri и R.

Эта схема может использоваться лишь при весьма малых токах нагрузки.

Во второй схеме р - п - р-транзисторы в схеме Дарлингтона Тз, усиливают ток до миллиамперного диапазона, а смещает их в проводящее состояние ток стока Ti порядка 10 мкА. Га и R обеспечивают защиту от короткого замыкания схемы, ограничивая ток выходного сигнала величиной 100 мА. Такая защита существенна для силовых схем и источников опорного напряжения, и ее надо применять, если вас не привлекает перспектива замены группы транзисторов, когда вы поскользнетесь, работая с осциллографом и пробником. Как и прежде, потенциометр R устанавливает напряжение выходного сигнала, и он должен обеспечивать широкий диапазон регулировки, чтобы компенсировать разброс t/отс ДЛя данного типа транзистора. Относительно требований к источникам опорного напряжения см. разд. 5.14.

6.18. Схемы ключей

Многокаскадные аналоговые ключи. Неплохой способ борьбы с емкостной проводимостью ПТ-ключей - это их покаскадное соеди-

(±10 В)

-15 -1? .Выход,

Управление

+15 Замкндт

Ьход (±10 В)

(о кОм 10 кОм

-15 J * -IS

вправление

+15 р-. Разомкнут -15-1 L. Замкнут

Рис. 6.54.

Вход (±10 В)-

Замк-+15 п nam -ISJ L

Разомкнут

Выход

-15

нение (рис. 6.54). В первой схеме (а) емкостное прохождение сигнала (около 1 % для одиночного ключа) даст в результате для всей схемы 0,01%, т. е. -80 дБ в разомкнутом состоянии. Если )?вкл=100Ом,

то сигнал не будет существенно ослаблен (коэффициент передачи порядка 99,7%) при замкнутом ключе, а это значит, что нелинейностью, вызванной изменением Ry. при колебаниях уровня сигната, можно пренебречь. Чтобы получить такое же значение емкостной утечки сигнала в однокаскадном ключе, потребовался бы резистор нагрузки 1 кОм, при котором было бы недопустимое ослабление сигнала (на 10%), не говоря уже о нелинейности, вызванной изменением /?вкл при изменении уровня сигнала.

Вторая схема делает примерно то же самое; при этом в ней используются ПТ-ключи для закорачивания сигнала на землю. В этом случае применение многоступенчатой схемы позволяет сохранить значения госледовательных резисторов разумно малыми.

Третья возможность - это применение пары ключей, один из которых соединен последовательно между источником и приемником сигнала, а другой включен между выходом и землей, как показано на рис. 6.54, в. При противофазной работе этих двух ключей (т. е. всегда открыт только один) мы получаем наилучшую комбинацию параметров в обоих состояниях схемы, а именно очень малую утечку в выключенном состоянии и хорошую линейность без существенного ослабления во включенном состоянии. Однополярные двусторонние

Сброс

КМОП-ключи с управлением, гарантирующим размыкание перед замыканием, выпускаются отдельными блоками. На практике молено использовать и пару однополюсных двусторонних ключей в одном блоке. Примерами являются ИМС DG188, IH5042, IH5142, а также DG191, IH5043 и IH5143 (сдвоенные однополюсные двусторонние приборы в одном корпусе). Благодаря доступности таких КМОП-ключей легко с помощью подобных однополюсных конфигураций на два направления получать превосходные рабочие параметры.

Рис. 6.55.

Усовершенствованная схема интегратора. В схемах интеграторов разд. 6.14 утечка сток - исток создает некоторый ток через суммирующую точку, когда ПТ находится в состоянии ВЫКЛ . Это может оказаться основной причиной погрешности интегратора, построенного на ОУ со сверхмалым входным током и конденсаторе с малой утечкой. На рис. 6.55 показано остроумное схемное решение этой проблемы. Оба п-канальных ПТ переключаются синхронно, но желательно, чтобы Ту управлялся напряжениями нулевым и +15 В, чтобы таким образом исключить воздействие утечки затвора в выключенном состоянии (нулевое напряжение затвора). Когда ПТ открыты,

конденсатор разрял-сается, как и в ранее описанных схемах, но через удвоенное сопротивление /?вкл- В выключенном состоянии ток утечки Га отводится на землю через резистор R2, создавая на пренебрежимо малый перепад напряжения. Ток утечки в суммирующую точку не попадает, поскольку исток, сток и подложка Ti имеют один и тот же уровень напряжения. Сравните эту схему с пиковым детектором с нулевой утечкой из разд. 3.15.

Упражнение 3.8. Предположим, что транзисторы и в выключенном состоянии ведут себя как резисторы с сопротивлением 10 ООО МОм. Подсчитайте скорость дрейфа выходного сигнала интегратора, связанного с утечкой ПТ, для конфигурации на рнс. 6.55 и для простой схемы сброса с одиночным ключом на рис. 6.40, когда выходной сигнал интегратора равен Н-ЮВ.

Усовершенствованная схема слежения - хранения. На рис. 6.56 показана улучшенная схема слежения - хранения. Транзисторы Та и Тз являются параллельными комплементарными ключами,

Вход (±10 В)

Сле-+15 жение -15- Хра-

Йение ига^аР

Рис. 6.56.

обеспечивающими малое сопротивление во включенном состоянии при всех уровнях сигнала. Тх включен в состоянии хранения, препятствуя насыщению входного ОУ, что обычно создает проблему из-за времени восстановления ОУ, ограниченного его скоростью нарастания. Ti может быть заменен парой диодов, соединенных встречно-параллельно. Второй ОУ должен иметь ПТ-вход для снижения уровня утечки.

Тот же прием, что употребляется в интеграторе (рис. 6.55) для компенсации эффектов утечки сток - исток, может быть применен и здесь. Это - указание к упражнению 6.9.

Упражнение 6.9. Модифицируйте схему слежения - хранения для исключения потерь уровня, вызванных утечкой исток - сток транзисторов и Т3. Указание: вам придется сделать следящую связь от точки соединения последовательно включенных ПТ на уровень напряжения конденсатора, но не подводите эту следящую связь Щшо к конденсатору!

6.19. БиПТ-интегральные схемы

Интегральные схемы, объединяющие биполярные и полевые транзисторы, известны как БиПТ ИС. В них используются лучшие свойства обоих типов приборов, сочетая традиционную технологию аналоговых схем ОУ, компараторов и т. д. с ультрамалыми значениями тока входного сигнала у ПТ. Мы будем разделять БиПТ на БиПТ с р - п-переходом и БиМОП ИС.

Рис. 6.57.

ОУ с входным р-канальным транзистором с р-п-переходом. Прежде всего отметим, что р-канальные ПТ с р - п-переходом

проще других изготовить в одном кристалле с биполярными транзисторами. Это ПТ с малым напряжением отсечки, фюОмкА порядка 1-2 В. Серии ПТ ОУ 355-357 представляют собой известный пример такого рода ИМС. Входной каскад таких схем состоит из двух р-канальных ПТ Z р - п-переходом с напряжением на истоках t/+, задаваемым источником тока (рис. 6.57). Есть несколько интересных особенностей этой входной схемы. Во-Квторому хаскадд первых, оказывается, что для ПТ с р - п-переходом существует такое значение тока стока, при котором (/зи не зависит от температуры (см. рис. 6.11). Это значение обычно лежит в диапазоне от 25 до 200 мкА, и разумно выбрать его в качестве рабочего диапазона для входных ПТ схем 355-357 с целью минимизации дрейфа напряжения сдвига. Получающийся температурный коэффициент для напряжения сдвига (обычно 5 мкВ/°С) вполне удовлетворителен даже по стандартам для биполярных транзисторов (он не хуже, чем, например, у схемы 7f ).

Во-вторых, при упомянутых малых токах стока транзисторы близки к отсечке, а это означает, что положительное смещение затвора относительно истока имеет значение порядка 1 В. Отсюда следует, что диап-азон синфазного входного сигнала расширяется до напряжения положительного питания или даже несколько больше. Это свойство полезно во многих применениях, например в источниках питания постоянного тока, чувствительных к повышенному напряжению.

Остальная часть ОУ построена на биполярных транзисторах: дифференциальный каскад с емкостной компенсацией по схеме Миллера, за которым следует обычный пушпульный (комплементарный) повторитель с единичным коэффициентом усиления и с защитой по типу ограничения тока. Другим примером ИМС БиПТ может служить LF311-ПТ - аналог известного компаратора 311.

МОП-транзисторы в ОУ. р-Канальные МОП-транзисторы обогащенного типа используются во многих БиПТ-схемах ОУ, в частности