Схемы инверторов на основе МДП-структур

Инверторы на основе МДП-транзисторов строятся на основе ключей, которые в ста­тическом режиме характеризуются остаточным током (в за­пертом состоянии) и остаточным напряжением (в открытом состоянии). Известны три разновидности МДП-транзисторных ключей: с резисторной нагрузкой, с динамической (транзисторной) нагрузкой и комплементарные (КМДП) ключи. Послед­ние выполнены на комплементарных транзисторах, т. е. на транзисторах с каналами противоположного типа проводимости.

Ключ с резисторной нагрузкой. Схема такого ключа, выпол­ненного на n-канальном транзисторе, показана на рис. 1, а. Для запирания ключа на затвор транзистора подается напря­жение Ез < Uo, где Uo — пороговое напряжение. В запертом транзисторе остаточный ток есть обратный ток стокового р-n-перехода, поскольку этот переход работает при обратном смещении, близком к Ес. Следовательно, ток Iост составляет не более 10-9-10-10 А (при условии, что поверхность кристалла хорошо обработана и отсутствуют приповерхностные каналы). На вольт-амперной характеристике запертому состоя­нию ключа соответствует точка А (рис. 1, б). При указанных значениях остаточного тока падением напряжения ICRC можно пренебречь и считать, что максимальное напряжение на запер­том ключе Umax = Ес. Для отпирания ключа на затвор подается напряжение Ез > U0. Это напряжение должно быть достаточно большим, чтобы рабочая точка В (рис. 1, б) соответствовала как можно меньшему остаточному напряжению.

Рис. 1. МДП-транзисторный ключ с резисторной нагрузкой: а — схема; б — расположение рабочих точек на выходной характеристике

 

Величина U0CT ≈ 300 мВ. Такое значение UOCT сравнитель­но велико, причем пути его уменьшения в данной схеме огра­ничены, поскольку и увеличение Rc, и увеличение удельной крутизны b в конечном счете означают увеличение площади, занимаемой схемой, а это в полупроводниковых ИС нежелательно. Однако следует подчеркнуть, что принципиальных ограни­чений на величину U0CT в МДП-транзисторных ключах нет; остаточное напряжение можно сделать сколь угодно малым, увеличивая сопротивление Rc и напряжение Ез. Это — одно из важнейших преимуществ МДП-транзисторных ключей перед биполярными, у которых величина U0CT принципиально огра­ничена напряжением UKЭ.

Ключ с динамической нагрузкой. Схема такого ключа, вы­полненного на однотипных транзисторах, показана на рис. 2, а. Роль динамической нагрузки выполняет транзистор Т2, у которого затвор соединен со стоком и который, тем самым, является двухполюсником — резистором. В схеме с ди­намической нагрузкой транзистор Т2 называют нагрузочным, а T1 — активным.

б)

а)

Рис. 2. МДП-транзисторный ключ с динамической нагрузкой: а — схема, б — расположение рабочих точек на выходной характеристике

 

Транзистор Т2 работает на пологом участке характеристики, и поэтому имеет параболическую ВАХ, т. е. нелинейную.

В запертом состоянии ключа, когда на затвор подано напря­жение Ез < UO остаточный ток имеет примерно то же значе­ние, что и в резисторном ключе (10-9-10-10 А и менее), а мак­симальное выходное напряжение близко к напряжению пита­ния: Umax ~ Ес (см. точку А на рис. 2, б). Точное положение точки А определяется пересечением обратных характеристик стоковых p-n-переходов активного и нагрузочного транзисторов.

В открытом состоянии ключа, когда на затвор подано напря­жение Ез > UQ, рабочая точка В лежит на квазилинейном уча­стке характеристики активного транзистора Т1. Остаточное на­пряжение в этой точке, как обычно, мало. Поэтому питающее напряжение можно считать полностью

приложенным к нагру­зочному транзистору Т2, Тогда остаточное напряжение (при Uси2 = Ес):

Поскольку на практике всегда выполняется условие Ез <ЕС, нетрудно сделать следующий важный вывод: для того, чтобы остаточное напряжение было мало, в ключе с динамической на­грузкой должно выполняться соотношение b2 << b1, т. е. тран­зисторы должны быть существенно различными. Удельная крутизна b определяется в первую очередь геометрией транзистора, а именно, отношением шири­ны к длине канала Z/L. Следовательно, у активного транзистора отно­шение Z/L должно быть как можно большим, а у нагрузочного как можно меньшим. В обоих случаях ограничения накладыва­ются конструктивно-технологическими факторами. Если обес­печить отношение b1/b2 = 50-100 (что вполне реально), то оста­точное напряжение может лежать в пределах 50-100 мВ.

 

Рис. 3. Комплементарный МДП-транзисторный ключ.

 

Комплементарный ключ

 

Схема такого ключа показана на рис. 3. Когда управляющее напряже­ние равно Е3 = 0, то n-канальный транзи­стор Т1 заперт, а p-канальный транзистор Т2 открыт (считаем, что Ес > │U02│). Ток в общей цепи определяется запертым транзистором Т1 и со­ставляет малую величину. Открытый транзистор Т2, как и в предыду­щих схемах, работает на квазилинейном участке характеристики

Важнейшей особенностью комплементарных ключей является то, что они практически не потребляют мощности в обоих состояниях. Соответственно, эти два состоя­ния можно называть «закрытым» и «открытым» только услов­но — по отношению к одному из транзисторов (например, n-канальному).

Однако устойчивые состояния различаются весьма четко по уровню выходного напряжения. Так, выше было показано, что при низком значении Ез, когда транзистор Т1 заперт, напря­жение Ucи2 на открытом транзисторе Т2 ничтожно мало, а зна­чит, выходное напряжение равно напряжению питания.

При высоком значении Ез, когда открыт транзистор T1, на нем падает такое же ничтожное напряжение. Остаточное напряжение на ключе определяется Ucи1 и составляет единицы микровольт.

Остаточное напряжение может иметь крайне ма­лые значения, до единиц микровольт и менее. Малые остаточные напряжения являются еще одним важным преимуществом комплементарных ключей.

 

Комплементарные схемы

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: