|
Ключи на ПТ
Теоретические основы электроники
(Полевые транзисторы)
3.3. Ключи на ПТ
Аналоговые ключи на ПТ
Очень часто ПТ, в основном МОП-транзисторы,
применяются в качестве анало-
говых ключей. В силу таких свойств, как
малое сопротивление в проводящем
состоянии («ВКЛ») при любом напряжении
сигнала вплоть до 0 В, крайне высокое
сопротивление в состоянии отсечки
(«ВЫКЛ»), малые токи утечки и малая
емкость, они являются идеальными
ключами, управляемыми напряжением, для
аналоговых сигналов. Идеальный
аналоговый (или линейный) ключ ведет себя как
совершенный механический выключатель:
во включенном состоянии пропускает
сигнал к нагрузке без ослаблений или
нелинейных искажений, в выключенном-ведет
себя как разомкнутая цепь. Он имеет
пренебрежимо малую емкость относительно
земли и вносит ничтожно малые наводки
в сигнал от переключающего его уровня,
приложенного к управляющему входу.
Рассмотрим пример (рис. ниже). Т1-
n-канальный МОП -транзистор
обогащенного типа, не проводящий ток при
заземленном затворе или при отрицательном
напряжении затвора. В этом состоянии
сопротивление сток-исток (Явыкл), как
правило, больше 10000 МОм, и сигнал не
проходит через ключ (хотя на высоких
частотах будут некоторые наводки через
емкость сток-исток; подробнее об этом
см. дальше). Подача на затвор
напряжения + 15 В приводит канал сток-исток
в проводящее состояние с типичным
сопротивлением от 25 до 100 Ом (RВКЛ) для
ПТ, используемых в качестве аналоговых
ключей. Схема не критична к значению
уровня сигнала на затворе, поскольку он
существенно более положителен, чем это
необходимо для поддержания малого
RВКЛ, и поэтому его можно задавать от
логических схем (можно использовать
внешний полевой или биполярный
транзистор для получения уровней,
соответствующих полному диапазону питания) или
даже ОУ: вполне годится ± 13 В с выхода
схемы 741, так как напряжение пробоя
затвора МОП-транзистора обычно равно
20 В или более. Обратное смещение
затвора при отрицательных значениях
выхода ОУ будет давать дополнительное
преимущество-можно переключать
сигналы любой полярности, как опишем
позже. Заметим, что ключ на
ПТ-двунаправленное устройство, т.е. он может
пропускать сигнал в обе стороны. Это
легко понять, так как механический
выключатель тоже обладает этим
свойством.
|
Приведенная схема будет работать при
положительных сигналах, не выше 10 В;
при более высоком уровне сигнала
напряжение на затворе будет
недостаточным, чтобы удержать ПТ в состоянии
проводимости (RВКЛ начинает расти);
отрицательные сигналы вызовут включение
ПТ при заземленном затворе. 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 (ВЫКЛ) и +15 В (ВКЛ); подложка
должна быть подсоединена к напряжению
-15 В.
Для любого ПТ-ключа сопротивление
нагрузки должно быть в диапазоне от 1 до
100 кОм, чтобы предотвратить емкостное
прохождение входного сигнала в
состоянии «ВЫКЛ», которое имело бы место
при большем сопротивлении.
Сопротивление нагрузки выбирается
компромиссным. Малое сопротивление уменьшит
емкостную утечку, но вызовет ослабление
входного сигнала из-за делителя
напряжения, образованного сопротивлением
проводящего ПТ RВКЛ и сопротивлением
нагрузки. Так как Явкл меняется с
изменением входного сигнала (при изменении
UЗИ), это ослабление приведет к
некоторой нежелательной нелинейности.
Слишком низкое сопротивление нагрузки
проявляется также и на входе ключа,
нагружая источник входного сигнала.
Привлекательная альтернатива -
применение еще одного ПТ-ключа,
закорачивающего выход на землю, если
последовательно включенный ПТ находится
в состоянии «ВЫКЛ»; таким образом
формируется однополюсный ключ на два
направления (подробнее об этом см. в
следующем разделе).
Аналоговые ключи на КМОП.
Часто
необходимо переключать сигналы,
сравнимые по величине с напряжением
питания. В этом случае описанная выше
простая л-канальная схема работать не будет,
поскольку при пиковом значении сигнала
затвор не будет иметь смещения в прямом
направлении. Переключение таких
сигналов обеспечивают переключатели на
комплементарных МОП-транзисторах
(КМОП, рис. ниже). Треугольник на
схеме-это цифровой инвертор, который мы
вкратце опишем: он преобразует высокий
уровень входного сигнала в низкий
уровень выходного и наоборот. При высоком
уровне управляющего сигнала Т1
пропускает сигналы с уровнями от земли до UCC
без нескольких вольт (при более высоких
уровнях сигнала RВКЛ начинает
драматическим образом расти). Аналогично Т2
при заземленном затворе 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 с
малым сопротивлением.
Переключение управляющего сигнала на уро-
Мультиплексоры.
Хорошим приложением ПТ-ключей являются
мультиплексоры-схемы, которые позволяют
выбрать один из нескольких входов по
указанию управляющего цифрового сигнала.
Аналоговый сигнал с этого выбранного
входа будет прямо проходить на (един-
ственный) выход. На рис. ниже показана
функциональная схема такого устройства.
Каждый из ключей от КлО до КлЗ есть
аналоговый КМОП-ключ. «Выбирающая
логика» декодирует адрес и «задействует»
(жаргонный аналог слова «включает»)
только адресованный ключ, блокируя
остальные. Такой мультиплексор обычно
используется в сочетании с цифровыми
схемами, вырабатывающими адрес.
Типичная конфигурация может включать в
себя блок накопления данных, в котором
несколько входных сигналов поочередно
опрашиваются, преобразуются в
цифровую форму и используются как входные
данные для каких-то вычислений.
|
Другие применения аналоговых ключей.
Управляемые напряжением аналоговые
ключи образуют блоки, существенно
важные для построения схем на ОУ, которые
мы увидим в следующей
главе-интеграторы, схемы слежения-хранения и
пиковые детекторы. К примеру, с помощью
ОУ мы сможем построить «подлинный»
интегратор: постоянный входной сигнал
генерирует линейно (не экспоненциально)
нарастающий сигнал на выходе и т.д.
При таком интеграторе мы должны иметь
способ «сброса» (восстановления) выхода;
с этой задачей справляется ПТ-ключ,
шунтирующий интегрирующий
конденсатор. Мы не хотели бы здесь полностью
описывать данные схемы; поскольку
основную часть этих схем составляют
ОУ, они естественным образом попадают
в следующую главу. Не будем
предвосхищать событий.
|
|
|