Полевой транзистор как ключ: виды, устройство, схемы, описание работы

Ключи на полевых транзисторах

3. 1. Общая характеристика

Применительно к использованию в качестве электронного ключа следует отметить следующие особенности полевых транзисторов.

• Управление электрическим полем предполагает управление напряжением, что, позволяет свести практически к нулю мощность, расходуемую на поддержание стационарных включенного и выключенного состояний. Поэтому теоретически в установившемся режиме коэффициенты передачи полевого транзистора по току и мощности стремятся к бесконечности.

• Полевой транзистор сохраняет свои характеристики при смене полярности напряжения, приложенного между выводами стока и истока. Поэтому коммутируемое напряжение ключевой схемы на полевых транзисторах может изменять свою полярность, т. е. ее статические характеристики передачи лежат в двух квадрантах.

• Так как ток полевого транзистора определяется только движением основных для полупроводника носителей заряда, то при его переключении принципиально, отсутствуют процессы, связанные с изменением объемного заряда неосновных носителей. Поэтому переходные процессы в полевом транзисторе обусловлены только процессами перезарядки соответствующих емкостей.

Указанные особенности предопределяют все более широкое применение полевых транзисторов в различных электронных устройствах. Однако в схемах коммутации эти несомненные достоинства могут быть реализованы только при учете специфических свойств полевого транзистора. К этим свойствам, в первую очередь, следует отнести следующее.

• Полевой транзистор обладает худшими ключевыми свойствами по сравнению с биполярным, что выражается в больших уровнях остаточного напряжения и выходного сопротивления во включенном состоянии.

• Рис. 105	лц2рис0

  Выходная ВАХ полевого транзистора на начальном участке качественно отличается от аналогичной характеристики биполярного транзистора зависимостью производной от управляющего напряжения (рис. 105). Вследствие этого остаточное падение напряжения на включенном полевом транзисторе сильно зависит от значения управляющего напряжения. Для биполярного транзистора, находящегося в режиме насыщения, такая зависимость полностью отсутствует. Ослабить данный недостаток можно уменьшением рабочего тока стока, т. е. увеличением сопротивления нагрузки.

• При увеличении частоты коммутации значительно возрастает входной ток полевого транзистора, что обусловлено необходимостью перезаряда его входной емкости. Следовательно, коэффициент усиления по мощности с ростом частоты падает.

Таким образом, полностью реализовать преимущества схемы коммутации, выполненной на полевых транзисторах, можно только при невысоких частотах переключения и использовании специальных схемотехнических решений, позволяющих повысить скорость перезаряда входной емкости транзистора.

Полевой транзистор, может быть использован в качестве электронного ключа для коммутации цепей различного назначения. При этом полевые транзисторы с управляющим p-n переходом обычно применяются в качестве ключа аналоговых

Показанная на рисунке схема является схемой с общим истоком. Резистор в цепи стока выполняет роль балластного сопротивления, ограничивающего ток стока транзистора. Нагрузка в данной схеме может подключаться параллельно выводам стока и истока транзистора, либо вместо резистора .

Открытое статическое состояние МДП-транзистора обеспечивается при выполнении следующего условия:

,

где — некоторое пороговое напряжение.

Открытый МДП-транзистор тем ближе к идеальному замкнутому ключу, чем меньше на нем падение напряжения, называемое остаточным напряжением . Ток стока , протекающий через открытый транзистор, практически полностью задается внешней цепью:

.

Остаточное напряжение может быть определено как произведение тока стока на сопротивление канала , поэтому можно утверждать, что остаточное напряжение определяется отношением сопротивления канала к сопротивлению нагрузки: .

Если напряжение исток-затвор меньше порогового, то МДП-транзистор находится в закрытом состоянии. Степень приближения к идеальному разомкнутому ключу в этом случае определяет ток, текущий через транзистор, называемый остаточным током. Этот ток равен обратному току p-n перехода и не превышает долей мкА. Поэтому падением напряжения на нагрузке можно пренебречь и считать, что напряжение на закрытом транзисторе равно напряжению питания.

Быстродействие МДП-транзистора определяется двумя факторами: перезарядом емкости затвора и перезарядом межэлектродных емкостей. Так как в ключевом режиме наблюдаются большие перепады напряжений на затворе и стоке транзистора, то может возникнуть необходимость учета зависимости указанных емкостей от напряжений.

.

Из данного выражения можно определить длительность фронта выходного напряжения: .

При подаче на затвор транзистора отпирающего напряжения (момент ) ток стока со скоростью, определяемой постоянной времени , достигнет максимального значения . Этим током начинает разряжаться емкость нагрузки и напряжение на стоке транзистора уменьшается. К моменту ток стока уменьшится до установившегося значения.

Длительность спада выходного напряжения определяется следующим выражением: . Так как , то длительность спада импульса выходного напряжения существенно меньше длительности его фронта.

Ключ на полевых транзисторах.

Как известно, полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения затвор-исток Uзи. На рис изображена упрощенная схема последовательного ключа на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом.

Рис. Последовательный ключ на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом

Если в этой схеме управляющее напряжение Uупр установить меньшим, чем минимально-возможное входное напряжение, по крайней мере на величину порогового напряжения транзистора, транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю. Для того, чтобы транзистор был открыт, напряжение затвор-исток U_зи следует поддерживать равным нулю, что обеспечивает минимальное сопротивление канала. Если же это напряжение станет больше нуля, управляющий pn-переход откроется, и выход ключа окажется соединенным с цепью управления. Если напряжение U_упр установить большим, чем максимально-возможное входное напряжение ключа, диод VD закроется и напряжение U_зи будет, как это и требуется, равно нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а полевой транзистор закрыт. В таком режиме работы через резистор R1 течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Это не мешает нормальной работе схемы, так как выходное напряжение ключа в этом режиме равно нулю. Нарушение нормального режима работы такой схемы может произойти лишь в случае, если цепь входного сигнала содержит разделительный конденсатор, который при закрытом транзисторе ключа зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения.

ДТЛ-логика

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) — технология построения цифровых схем на основе биполярных транзисторов, диодов и резисторов. Своё название технология получила благодаря реализации логических функций (например, И) с помощью диодных цепей, а усиления сигнала — с помощью транзистора

Принцип работы:

Показанная на рисунке схема представляет собой типичный элемент 2И-НЕ:

Если хотя бы на одном из входов уровень логического нуля то ток R1 течет через диод во входную цепь. На анодах напряжение 0,7В, которого недостаточно для открывания транзистора, для того чтобы его ввести в режим насыщения. На выходе формируется уровень логической единицы. Если на все входы поступает уровень логической единицы, ток R2 течет через R1 в базу транзистора, образуя на анодах падение напряжения 1,4В. Поскольку напряжение уровня логической единицы больше этой величины входы диодов обратносмещены и не учавствуют в работе схемы. Транзистор открыт в режиме насыщения, ток нагрузки втекает в транзистор значительно больший по величине тока нагрузки при уровне логической единицы.

Преимущества и недостатки:

Основное преимущество ДТЛ над более ранней технологией РТЛ — возможность создания большого числа входов. Задержка прохождения сигнала по-прежнему достаточно высока, из-за медленного процесса утечки заряда с базы в режиме насыщения (когда все входы имеют высокий уровень) при подаче на один из входов низкого уровня. Эту задержку можно уменьшить подключением базы транзистора через резистор к общему проводу или к источнику отрицательного напряжения.

В более современной и эффективной технологии ТТЛ данная проблема решена путём замены диодов на мультиэмиттерный транзистор. Это также уменьшает площадь кристалла (в случае реализации в виде интегральной схемы), и соответственно позволяет добиться более высокой плотности элементов.

Логические элементы на основе ДТЛ являлись основой для многих ЭВМ второго поколения, например БЭСМ-6, IBM 1401.

КМОП логика

КМОП (К-МОП; комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) — технология построения электронных схем. В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов; как следствие, КМОП-схемы обладают более высоким быстродействием и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки. Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе, процессоров, используют схемотехнику КМОП.

Технология:

Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП.

Если на оба входа A и B подан высокий уровень, то оба транзистора снизу на схеме открыты, а оба верхних закрыты, то есть выход соединён с землёй.

Если хотя бы на один из входов подать низкий уровень, соответствующий транзистор сверху будет открыт, а снизу закрыт. Таким образом, выход будет соединён с напряжением питания и отсоединён от земли.

В схеме нет никаких нагрузочных сопротивлений, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень мало. При переключениях электрическая энергия тратится в основном на заряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).

ЭСЛ – логика.

Эми́ттерно-свя́занная ло́гика (ЭСЛ) — семейство цифровых интегральных микросхем на основе дифференциальных транзисторных каскадов. ЭСЛ является самой быстродействующей из всех типов логики, построенной на биполярных транзисторах. Это объясняется тем, что транзисторы в ЭСЛ работают в линейном режиме, не переходя в режим насыщения, выход из которого замедлен. Низкие значения логических перепадов в ЭСЛ-логике способствуют снижению влияния на быстродействие паразитных ёмкостей.

Основная деталь ЭСЛ-логики — схема потенциального сравнения, собранная не на диодах (как в ДТЛ), а на транзисторах. Схема представляет собой транзисторы, соединённые эмиттерами и подключенные к корпусу (или питанию) через резистор. При этом транзистор у которого напряжение на базе выше пропускает через себя основной ток. Как правило один транзистор в схеме сравнения подключен к опорному уровню, равному напряжению логического порога, а остальные транзисторы являются входами. Выходные цепи схемы сравнения поступают на усилительные транзисторы, а с них — на выходные эмиттерные повторители.

Эмиттерный повторитель — способ включения транзистора, когда коллектор подключен к шине питания, а эмиттер является выходом. Напряжение на выходе эмиттера практически соответствует напряжению на базе, куда подаётся входной сигнал. Поэтому он и называется повторителем. Повторитель усиливает ток, не усиливая напряжения. Используется в основном для согласования высокого выходного сопротивление источника сигнала с малым сопротивлением нагрузки.

Особенностью ЭСЛ является повышенные скорость (150 МГц уже в первых образцах 60-х годов и 0,5-2ГГц в 70-80хх) и энергопотребление по сравнению с ТТЛ и КМОП (на низких частотах, на высоких — примерно равное), низкая помехоустойчивость, низкая степень интеграции (ограниченная, в частности, большой потребляемой мощностью каждого элемента, что не позволяет разместить в одном корпусе много элементов, т.к. это приведёт к перегреву) и как следствие — высокая стоимость.

Электронный ключ на полевом транзисторе (Контрольная работа)

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине «Общая Электротехника и электроника»

На тему: «Электронный транзисторный ключ на полевом транзисторе»

Содержание

1. Общие сведения об электронных ключах

2. Схемы электронных ключей на полевых транзисторах

3. Принцип действия электронных ключей

4. Применение электронных ключей

4. Литература

1. Общие сведения об электронных ключах

Ключ – элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. При включении активного элемента с общим эмиттером (истоком) ключ выполняет логическую операцию НЕ, т.е. инвертирует входной сигнал.

Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое

.

Рис. 4

Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями p-n-переходов и действиями скопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления используют ключи на полевых транзисторах.

2. Схемы электронных ключей на полевых транзисторах

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники. Основные особенности транзисторного ключа является обязательным условием понимания принципов работы цифровых устройств.

Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:

Рис. 5

Для любого ключа на полевом транзисторе Rн > 10-100 кОм.

Управляющий сигнал Uвх на затворе порядка 10-15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 108-109 Ом.

Сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии может составлять 7-30 Ом. Сопротивление полевого транзистора по цепи управления может составлять 108-109 Ом. (схемы «а» и «б») и 1012-1014 Ом (схемы «в» и «г»).

1 поколение – с линейной нагрузкой.

2 поколение – с нелинейной нагрузкой. В качестве нагрузки (вместо ) ставили второй полевой транзистор одинакового типа проводимости.

Рис. 6 Транзисторный ключ на полевом транзисторе с линейной нагрузкой.

3. Принцип действия электронных ключей

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор — эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

В статическом режиме ключ находится в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут). Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов : импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход.

Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении.

В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом.

Основными параметрами ключа являются :

• быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ;

• длительность фронтов выходных сигналов ;

• внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ;

• потребляемая мощность ;

• помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ;

• стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ;

• надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т.д.

4. Применение электронных ключей

Электронный ключ служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических сигналов. Если ключ находится в состоянии «включено», его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному; если же ключ находится в состоянии «выключено», выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю или, во всяком случае, должно как можно меньше зависеть от входного.

Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор — эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принципом работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

Литература

1. Горбачев Н.Г. Промышленная электроника М. 2001

2. Кудрявцев И.А. Фалкин В.Д. Электронные ключи учебное пособие Самара 2002

3. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов — М.: СОЛОН-Р, 2001. — 327с.

4. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника — М.: Горячая линия — Телеком, 2000. — 768 с.

5. www.wikipedia.org

6. Учебно-методический комплекс, раздел «Электроника» 117-118 с.

Аналоговый электронный ключ на полевом транзисторе курсовая по радиоэлектронике

Курсовая работа по дисциплине: Электроника и микропроцессорная техника на тему: «Аналоговый электронный ключ на полевом транзисторе» Выполнил: студент 2 курса 4 группы Казаков Д.Н. Руководитель: доцент Земляков В.Л. г. Ростов-на-Дону 2004 год Введение. Курсовая работа посвящена макетированию и исследованию аналогового электронного ключа на полевом транзисторе. Электронный ключ –основной функциональный узел дискретной схемотехники для переключения токов или потенциалов на нагрузке. В импульсных устройствах очень часто требуется коммутировать (включать и выключать) электрические цепи. Эта операция выполняется бесконтактным способом с помощью транзисторных ключей. Ключевые схемы используются для построения генераторов и формирователей импульсов , а также различных логических схем цифровой вычислительной техники. Ключ выполняет элементарную операцию инверсии логической переменной и называется инвертором. В статическом режиме ключ находится в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут). Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов : импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход. Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении. В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом. Основными параметрами ключа являются : • быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ; • длительность фронтов выходных сигналов ; • внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ; • потребляемая мощность ; • помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ; • стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ; • надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т.д. такую же схему, соединив подложку с источником -15 В и подавая на затвор напряжения +15 В (включено) и -15 В (выключено). Лучшими характеристиками обладают ключи на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), рис. 3б. Здесь на подложку транзистора VT1 подается положительное питающее напряжение +Uпит, а на подложку транзистора VT2 — отрицательное питающее напряжение -Uпит . При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n- канального транзистора VT2 практически равно +Uпит. В таком случае транзистор VT2 проводит сигналы с уровнями от -Uпит до +Uпит без нескольких вольт (при более высоких уровнях сигнала Rо начинает катастрофически расти). В это время напряжение на затворе VT1 практически равно -Uпит. Транзистор VT1 пропускает сигналы с уровнями от +Uпит до значения на несколько вольт выше -Uпит. Таким образом, все сигналы в диапазоне от +Uпит до -Uпит проходят через двухполюсник с малым сопротивлением (рис. 4). При переключении управляющего сигнала на низкий уровень, напряжение на затворе n-канального транзистора VТ2 устанавливается близким к -Uпит, а напряжение на затворе p-канального транзистора VТ1 устанавливается близким к +Uпит. Тогда, при -Uпит < Uвх < +Uпит, оба транзистора заперты, и цепь ключа разомкнута. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от низкого напряжения питания ключа до высокого напряжения его питания. Эта схема работает в двух направлениях — любой ее зажим может служить входным. Она является основой практически для всех ИМС аналоговых ключей, выпускаемых в настоящее время. Аналоговые мультиплексоры Хорошим приложением ключей на полевых транзисторах являются мультиплексоры — схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Такие устройства входят в состав систем сбора данных микропроцессорных регуляторов промышленных и транспортных объектов. Аналоговый сигнал с выбранного входа будет прямо проходить на выход. На рис. 5 в качестве примера показана функциональная схема аналогового мультиплексора из четырех направлений в одно. Каждый из ключей от S0 до S3 представляет собой аналоговый КМОП-ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения Е необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов; если на этот вход поступает сигнал низкого уровня, то, независимо от состояния адресных входов, все ключи мультиплексора разомкнуты. Так как аналоговые ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и «демультиплексором», т.е. сигнал может быть подан на вход мультиплексора и снят с избранного выхода. Статические характеристики Сопротивление в открытом (включенном) состоянии. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (например, +15 В), будут иметь малые значения Ro во всем диапазоне значений входного сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное, по крайней мере, половине напряжения питания. Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа Ro будет расти, и максимум его имеет место при среднем уровне сигнала между высоким и низким напряжениями питания. На рис. 6 приведены зависимости Ro ключа микросхемы ключа MAX312 от напряжения входного сигнала при однополярном питании. При уменьшении Uпит сопротивление полевого транзистора во включенном состоянии значительно увеличивается (особенно вблизи точки Uвх = Uпит/2). Это объясняется тем, что для полевого транзистора обогащенного типа пороговое напряжение составляет несколько вольт, и для достижения малых значений Ro требуется напряжение затвор-исток не меньше, чем 5…10 В. Как видно из рис 6, сопротивление открытого ключа при номинальном напряжении питания, близкое к 10 Ом, при Uпит=2,7 В достигает 700 Ом. Рис. 6. Зависимости Ro КМОП-ключа от входного напряжения при однополярном включении для различных значений питающего напряжения Имеются различные приемы, которые разработчики ИМС аналоговых ключей применяют, чтобы сохранить значение Ro малым и примерно постоянным во всем диапазоне изменения входных сигналов. Это нужно для уменьшения нелинейных искажений входного сигнала. Для этого схему управления ключом выполняют таким образом, чтобы напряжение n-подложки «следило» за напряжением входного сигнала. Применение транзисторов с малым напряжением отсечки и повышенной крутизной позволяет построить ключи с весьма малым Ro при низком питающем напряжении. Так например, одноканальный ключ ADG701 при однополярном питании +5 В имеет сопротивление Ro не более 2,5 Ом. На рис. 7 приведены зависимости сопротивления открытого ключа низковольтной микросхемы МАХ391 от напряжения входного сигнала для различных питающих напряжений при однополярном (а) и разнополярном (б) питании. (a) (б) Рис. 7. Графики зависимостей Ro ключа ИМС MAX391 от входного напряжения при однополярном (а) и разнополярном (б) включении для различных значений питающего напряжения Применение КМОП логики для управления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект — в покое эти микросхемы практически не потребляют энергии. Ток утечки канала. В закрытом состоянии канал МОП-ключа обладает очень высоким динамическим сопротивлением (до сотен ГОм) при напряжении сток-исток более 0,1 В. Поэтому его принимают источником тока с током Iут. Направление протекания тока утечки через закрытый КМОП-ключ определяется полярностью приложенного напряжения. Типичное значение Iут для широкой номенклатуры аналоговых ключей и мультиплексоров составляет величину порядка 1 нА. Однако выпускаются и ключи с пониженным током утечки. Например у одноканального ADG431 типичный ток утечки — 0,05 нА. При очень низких напряжениях на закрытом ключе сопротивление канала уменьшается, но остается все-таки весьма высоким. Динамические характеристики Междуэлектродные емкости. МОП-ключи обладают следующими емкостями (рис. 8): между входом и выходом (Сси), между каналом и общей точкой схемы (Сс, Си), между затвором и каналом (Сз) и между ключами в пределах одного кристалла. Как правило, наличие этих емкостей ухудшает характеристики ключей. Сси (емкость вход-выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению сигнала через разомкнутый ключ, которое на высоких частотах возрастает. На рис. 9. показан этот эффект для микросхемы четырехканального аналогового ключа типа МАХ312. Здесь кривая 1 представляет собой амплитудно-частотную характеристику последовательного ключа, нагруженного на резистор 50 Ом в замкнутом состоянии. Кривая 2 — фазочастотная характеристика для этого же случая. Кривая 3 представляет амплитудно-частотную характеристику ключа в разомкнутом состоянии при той же нагрузке. Как видно, даже при нагрузке 50 Ом сквозное прохождение сигнала на высоких частотах становится значительным. При нагрузке 10 кОм ситуация со сквозной передачей сигнала, конечно же намного хуже. Рис. 9. Частотные характеристики последовательного ключа на ИМС МАХ312 В большинстве низкочастотных применений емкостное сквозное прохождение сигнала через разомкнутый ключ не создает проблем. Если они возникают, хорошим решением является использование пары включенных каскадно ключей (рис. 10а) или, что еще лучше, использование последовательно-параллельного ключа (рис. 10б). Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибелах) ценой дополнительного делителя напряжения, в то время как последовательно-параллельная схема уменьшает прямое прохождение, снижая эффективное сопротивление нагрузки до Ro, когда последовательный ключ разомкнут. Многие фирмы выпускают ИМС аналоговых ключей, содержащие по два нормально замкнутых (т.е. замкнутых при низком уровне управляющего сигнала) и два нормально разомкнутых ключа. Это, например, МАХ314, DG413, 590КН4 и др. Эти микросхемы позволяют наиболее просто построить последовательно-параллельные ключи. Рис.10. Схемы, обеспечивающие улучшенные характеристики ключей в разомкнутом состоянии Сс, Си (емкость относительно земли). Шунтирующая на землю емкость приводит к упомянутому ранее спаду частотной характеристики (кривые 1 и 2 на рис. 9). Совместно с сопротивлением источника сигнала и сопротивлением замкнутого ключа Ro эти емкости образуют фильтр нижних частот. Ситуация усугубляется при высокоомном источнике сигнала. Емкость между ключами. Поскольку обычно на кристалле размещается несколько ключей, то не следует удивляться при появлении наводок между каналами. Виновницей может быть емкость между каналами, составляющая величину порядка 0,5 пФ. Эффект усиливается по мере роста частоты и увеличения импеданса источника сигнала. Динамические помехи. Во время перехода от включенного состояния к выключенному и обратно в аналоговых ключах на полевых транзисторах могут возникать неприятные эффекты. Скачок управляющего напряжения, поданный на затвор, вызывает изменение заряда в цепи канала. Это наиболее существенно при уровнях сигналов, соответствующих разомкнутому ключу. Подобные эффекты возникают и в мультиплексорах во время изменения адреса канала. Ввиду важности этой проблемы, рассмотрим ее более подробно. На рис. 11 изображена форма выходного сигнала, которую можно увидеть на выходе n-канального МОП-ключа, схема которого показана на рис. 3а, при нулевом уровне входного сигнала и нагрузке, состоящей из резистора сопротивлением 10 кОм и параллельного ему конденсатора с емкостью 20 пФ. Эти всплески и провалы вызваны переносом заряда в канал через емкость Сз, имеющую величину порядка 5 пФ, (рис. 8) при изменении напряжения затвора. Это напряжение делает резкий скачек от одного уровня питания к другому, перенося заряд q = +Сз(Uзи.выс — Uзи.низ). Заметим, что величина переносимого заряда зависит только от полного изменения напряжения затвора и не зависит от времени, за которое это изменение происходит. Замедление изменения сигнала на затворе вызывает меньшую по амплитуде, но более долгую динамическую помеху с той же площадью под графиком. Фильтрация выходного сигнала ключа фильтром нижних частот дает тот же эффект. Такие меры могут помочь в тех случаях, когда важно добиться малого пика амплитуды динамической помехи, однако в смысле исключения пропускания управляющего сопротивления нагрузки выбирается компромиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление выходного сигнала из-за делителя напряжения, образованного сопротивлением проводящего транзистора Rвкл и сопротивлением нагрузки. А так как Rвкл 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. Привлекательной альтернативой является также применение еще одного ключа, закорачивающего выход на землю, если транзистор, включающий сигнал, находится в состоянии «ВЫКЛ»: таким образом, формируется однополюсный ключ на два направления. Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом 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 МДП-транзисторах (КМДП) (рис. 12). При высоком уровне управляющего сигнала VТ1 пропускает сигналы с уровнями от земли до без нескольких вольт. VТ2 пропускает сигнал с уровнями от до значения на несколько вольт выше уровня земли. Таким образом, все сигналы в диапазоне от земли до проходят через схему, имеющую малое сопротивление. Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба транзистора, размыкая, таким образом, цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от земли до . Это основа схемы КМДП «передающего вентиля» 4066 (К561КТ3). Как и описанные ранее ключи, эта схема работает в двух направлениях ≈ любой ее терминал может служить входным. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 13) можно использовать и как аналоговые ключи, но нужна осторожность в отношении сигнала на затворе, чтобы не возник ток затвора. Напряжение затвора должно быть существенно ниже потенциала земли для удержания ПТ в состоянии отсечки. Это значит, что если напряжение сигнала становится отрицательным, то напряжение затвора должно удерживаться, по крайней мере, на ниже наименьшего минимума сигнала. Для приведения транзистора 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 сопротивлением 1 МОм, т. е. находится под потенциалом истока. Можно построить схему аналогового ключа на транзисторе с управляющим р≈п-переходом, если использовать ОУ, так как можно связать исток транзистора с потенциальной землей в суммирующей точке инвертирующего усилителя (рис. 14). Тогда для отпирания транзистора нужно просто подать потенциал земли на затвор. Этот способ дает дополнительное преимущество, заключающееся в точной компенсации ошибок, возникающих из-за конечного значения Rвкл и его нелинейности. Схема имеет две примечательные особенности: а) когда VТ1 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 транзисторы согласованы по параметру Rвкл. 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 VT1 к потенциальной земле (суммирующая точка) упрощает работу схемы, так как нет колебаний сигнала на истоке VT1 во включенном состоянии; диод препятствует включению ПТ при положительных сигналах и запертом VT1 и не оказывает никакого действия при замкнутом ключе. Тот же прием компенсации применяется и для ключей на МДП — транзисторах. Отечественная и зарубежная промышленность выпускают широкую номенклатуру микросхем, предназначенных для коммутации аналоговых сигналов. В частности, отечественная промышленность выпускает аналоговые ключи серии 596 и серии 561, из зарубежных известны ключи фирмы Analog Devices (ADG), значительное количество ключей аудио- и видеосигналов фирм Philips, Sanyo и др. 3. Электронный ключ на транзисторе. 3.1. Общие сведения. Принцип действия. В ключевых схемах в общем случае используются все основные схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК), ключ-«звезда», с общим эмиттером (ОЭ). Наибольшее применение получили транзисторные ключи по схеме с ОЭ. Статические характеристики. Поведение ключа в статическом режиме определяется выходными I и входными I характеристиками транзистора по схеме с ОЭ. На выходных характеристиках выделяются три области, которые определяют режим отсечки коллекторного тока, активный режим и режим насыщения ключевой схемы. Область отсечки определяется точками пересечения линии нагрузки R с самой нижней кривой семейства выходных характеристик с параметром I= — I. Этой области соответствует режим отсечки, при котором: —транзистор закрыт, т.к. оба его перехода смещены в обратном направлении U>0, U<0 —напряжение U= — E+I*R — E —ток коллектора минимален и определяется обратным (тепловым) током коллекторного перехода I=I —ток базы I= — I,а ток эмиттера I=0 —сопротивление транзистора постоянному току наибольшее R = 100 кОм. Активная область расположена между нижней кривой коллекторного тока и линией насыщения. Этой области соответствует активный нормальный режим, при котором эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном: U<0,U>0 Ток коллектора I=B*I+(B+1)I=B*I+I ; I=(B+1)I. Где B – коэффициент усиления базового тока в схеме с ОЭ. Область насыщения определяется точками пересечения линии нагрузки с линией насыщения. Этой области соответствует режим насыщения. При котором: —транзистор открыт, т.к. оба его перехода смещены в прямом направлении U<0,U<0 —напряжение U и U насыщенного транзистора составляет доли вольта —максимальный ток транзистора (ток насыщения) I, практически не зависит от параметров транзистора I= (3.1) —сопротивление транзистора постоянному току минимально (десятки ом) r= Коллекторный ток насыщения достигается при граничном токе базы I==. (3.2) Глубина или степень насыщения транзистора определяется коэффициентом насыщения S S=. 1. Операционные усилители. Операционные усилители (ОУ) — это интегральные усилители постоянного тока с дифференциальным входом, большим коэффициентом усиления (КУ) и входным сопротивлением. В идеале ОУ должен иметь бесконечные КУ и входное сопротивление и не входить в насыщение. Современные ОУ близки по первым двум характеристикам к идеалу, но режима насыщения, к сожалению, избежать невозможно, не нарушая законов ©Кирхгофа. Реальный ОУ в настоящее время имеют входное сопротивление от 1 МОм до 1 ГОм, КУ — 10000…100000, и можно сказать, что эти величины стремятся к бесконечности, а их характеристики близки к идеальным. В этой главе мы представим реальный ОУ как идеальный, так как нас пока не интересуют ни частотные, ни температурные характеристики. Для начала примем несколько утверждений: 1. Т.к. КУ стремится к бесконечности, то любое бесконечно малое изменение разности входных напряжений приводит к бесконечно быстрому изменению выходного сигнала. 2. ОУ не входит в режим насыщения. 3. Входной ток ОУ равен 0. Таким образом, мы освобождаем рассматриваемую цепь от влияния динамических и статических параметров ОУ. Т.е. комплексное сопротивление ОУ (см. ниже) стремится к бесконечности. Оглавление 2. Принцип обратной связи. Для того, чтобы понять принцип отрицательной обратной связи (а именно ООС в основном используется в каскадах на ОУ), рассиотрим схему на рисунке. Положительная ОС используется в основном для создания генераторов, поэтому здесь не рассматривается. Итак, подаём на вход напряжение U1. Для простоты предположим, что выход схемы не нагружен. Т.к. входное сопротивлене ОУ бесконечно, в начальный момент времени можем получить U0 = U1 (?..) Ловким движением достаю кролика из шляпы: а вот и нет! Что же происходит с U0? Так же мгновенно, как U1, увеличивается U2, но с обратным знаком. Теперь см. выше — приращение выходного напряжения существует, пока разность напряжения на входах ОУ ненулевая. Понимаю, нет ни малейшего желания вспоминать старика Кирхгофа, но всё-таки потерпите: U1/R1 + U2/R2 = 0 ( закон Кирхгофа для токов ) U0 = 0 Именно при этом условии прирост напряжения U2 остановится. А произойдёт это, когда: U2 = — (U1 R2)/R1 Из этого получим КУ схемы: K = — R2/R1 U2 = K U1 Вот вам и сложная наука электроника! Это один важный вывод из применения закона Кирхгофа. Второй заключается в том, что U0 = 0 ( всегда ) В качестве «лирического отступления» скажу, что не нулю, а потенциалу неинвертирующего входа ОУ. И все остальные потенциалы тоже даны относительно того же входа. Это уже неявное применение метода узловых потенциалов — берём один из потенциалов схемы и приравниваем его к нулю. Вывод: упростив представление ОУ как схемотехнического элемента (см. п. 1), мы рассмотрели один из основополагающих принципов схемотехники на ОУ — принцип отрицательной обратной связи (ООС). Инвертирующий усилитель Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом затвор; с общим стоком и входом на затвор; с общим затвором и входом на исток. Схемы включения полевого транзистора показаны на рис. 3. По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема с общим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком. 3. Эквивалентная схема полевого транзистора. Рис. 4. Эквивалентная схема полевого транзистора. Эквивалентная схема полевого транзистора, элементы которой выражены через у-параметры, приведен на рис. 4. При таком подключении каждая из проводимости имеет физический смысл. 4. Параметры полевого транзистора. Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор — исток уЗИ. = у11 + у12 ; выходная проводимость — проводимость участка сток — исток уСИ = у22 + у21 ; функции передачи — крутизной вольт-амперной характеристики S = у21 — у12 ; функция обратной передачи — проходной проводимостью уЗС = у12. Эти параметры применяются за первичные параметры полевого транзистора, используемого в качестве четырехполюсника. Если первичные параметры четырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитать параметры для любой другой схемы включения полевого транзистора. Начальный ток стока IС.нач — ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю и напряжении на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения. Остаточный ток стока IС.ост — ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора IЗ.ут — ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор — сток IЗСО — ток, протекающий в цепи затвор — сток при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор — исток I ЗИО — ток, протекающий в цепи затвор — исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами. Напряжение отсечки полевого транзистора UЗИ.отс — напряжение между затвором и истоком транзистора с р -п переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Пороговое напряжение полевого транзистора UЗИ.пор — напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Крутизна характеристик полевого транзистора S — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Входная емкость полевого транзистора С11и — емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С22и — емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость полевого транзистора C12и — емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток СЗСО — емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Емкость затвор — исток СЗИО емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Коэффициент усиления по мощности Кур — отношение мощности на выходе полевого транзистора к мощности на входе при определенной частоте и схеме включения. 4.1. Частотные свойства. Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC — цепи затвора. Поскольку входная емкость С11и у транзисторов с р-п переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, ре превышающих сотен килогерц — единиц мегагерц. При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC — цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-п — переходом. Граничная частота определяется по формуле fгр.=159/С11и, где fгр = частота, МГц; S — крутизна характеристики транзистора, мА/В; С11и — емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи, пФ. 4.2. Шумовые свойства. Шумовые свойства полевых транзисторов оцениваются коэффициентом шума КШ, который мало зависит от напряжения сток — исток, тока стока и окружающей температуры (ниже 50 0 С) и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума измеряют в заданном режиме по постоянному току UСИ, IC на определенной частоте. Вместо коэффициента шума иногда указывают шумовое напряжение полевого транзистора Uш — эквивалентное шумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенном полном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком; шумовой ток Iш — эквивалентный шумовой ток, приведенный ко входу, при разомкнутом входе в полосе частот в схеме с общим истоком. 4.3. Тепловые параметры. Тепловые параметры полевого транзистора характеризуют его устойчивость при работе в диапазоне температур. При изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора. Зависимость изменения тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов р-п перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. При определенных условиях действие этих факторов взаимнокомпенсируется и ток полевого транзистора перестает зависеть от температуры. На рис. 5. приведены стокозатворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки. Рис. 5. Сток — затворные характеристики полевого транзистора при разных температурах. Зависимость крутизны характеристики от температуры у полевых транзисторов такая же как и у тока стока. С ростом температуры ток утечки затвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы. Температурная зависимость тока утечки затвора полевого транзистора с р-п переходом приведена на рис. 6. рис. 6. Зависимость тока утечки затвора полевого транзистора от температуры. В полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически не зависит от температуры. 4.4. Максимально допустимые параметры. Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое напряжение затвор — исток UЗИmax, затвор — сток UЗСmax, сток — исток UСИmax, максимально допустимое напряжение сток — подложка UСПmax, исток — подложка UИПmax, затвор — подложка U ЗПmax. Максимально допустимый постоянный ток стока I Сmax максимально допустимый прямой ток затвора IЗ(пр)max, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность Рmax. 4.5. Вольт – амперные характеристики полевых транзисторов. Рис. 7. Вольт – амперные характеристики полевого транзистора со встроеным каналом n- типа: а – стоковые; б – стоко – затворные. Вольт — амперные характеристики полевых транзисторов устанавливают зависимость тока стока I C от одного из напряжений UСИ или UЗИ при фиксированной величине второго. В МДП — транзисторе с индуцированным каналом с подложкой р-типа при UЗИ = 0 канал п-типа может находиться в проводящем состоянии. При некотором пороговом напряжении UЗИ.ПОР < 0 за счет обеднения канала основными носителями проводимость его значительно уменьшается. Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид, изображенный на рис. 7, а стоко — затворная характеристика пересекает ось ординат в точке со значением тока IC.НАЧ. Особенностью МДП — транзистора с индуцированным каналом п — типа является возможность работы без постоянного напряжения смещения ( U ЗИ = 0) в режиме как обеднения, так и обогащения канала основными носителями заряда. МДП — транзистор с встроенным каналом имеет вольт-амперные характеристики, аналогичные изображенным на рис. 7. У МДП — транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на вольт -амперные характеристики и соответственно параметры транзистора. Благодаря воздействию на проводимость канала подложка может выполнять функцию затвора. Напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую полярность, чтобы р-п переход исток — подложка включался в обратном направлении. При этом р-п переход канал — подложка действует как затвор полевого транзистора с управляющим р-п переходом. 5. Рекомендации по применению полевых транзисторов. Рекомендации по применению полевых транзисторов. Полевые транзисторы имеют вольт- амперные характеристики, подобные ламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов. Это позволяет применять их в схемах, в большинстве случаев использовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока с высокоомным входом, в истоковых повторителях с особо высокоомным входом, в электрометрических усилителях, различных реле времени, RS — генераторах синусоидальных колебаний низких и инфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, усилителях низкой частоты, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, в активных RC — фильтрах низких частот. Полевые транзисторы с изолированным затвором используют в высокочастотных усилителях, смесителях, ключевых устройствах. В рекомендации по использованию транзисторов для случая полевых транзисторов следует внести дополнения: 1. На затвор полевых транзисторов с р-п ( отрицательное для транзисторов с р — каналом и положительным для транзистора с п — каналом). 2. Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального на выходе получаем радиоимпульс, причем длительностью радиоимпульса можно управлять, изменяя длительность и частоту повторения управляющего сигнала. В данном примере отношение времени наличия сигнала на выходе к времени его отсутствия составляет 50%. Принципиальным отличием второй схемы электронного ключа является наличие инвертора напряжения, выполненного на биполярном транзисторе КП814. Принцип его работы состоит в следующем: при наличии напряжения на управляющем входе биполярный транзистор открывается, и напряжение с источника питания стекает через резистор на землю – при отсутствии отрицательного напряжения на затворе полевого транзистора он открывается, и сигнал с входа проходит на усилитель. Таким образом в стационарном состоянии (при отсутствии сигнала на управляющем входе), в отличие от предыдущей, выключена и сигнал не пропускает. При появлении же отрицательного напряжения, наоборот, сигнал проходит. При тестировании мной использовался прямоугольный импульс частотой 20 КГц, амплитудой 7В, смещением -7В и отношением длительности импульса к времени повторения 70%. На выходе схемы получим: В третьей схеме аналогового ключа мной был использован полевой транзистор КП103 с управляющим n-p переходом и каналом p-типа. Его применение в данной схеме позволяет управлять работой устройства с помощью положительного прямоугольного импульса. В тесте был использован прямоугольный управляющий сигнал частотой 40 КГц, амплитудой 7В, со смещением +7В и отношением длины импульса к времени повторения 30%: На выходе операционного усилителя: Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Пер. с нем., М., Наука, 1972.

N-канальный полевик? В верхнем ключе?

Работа с электроникой (и микроконтроллерами в частности) имеет одно интересное свойство — нередко приходится вдыхать жизнь и разум в устройства, которые мигают, жужжат и пыхтят. Обычно эти процессы требуют больше тока, чем может пропустить через себя умная часть схемы, и тогда между логикой и нагрузкой ставится ключ.

При питании постоянным напряжением можно говорить о двух вариантах ключей. Нижний ключ отрубает от нагрузки минус — подходящая работа для NPN-транзистора или N-канального полевика. Верхний ключ коммутирует плюс — обычно сюда ставят PNP или P-канальный… но не всегда.

Открываем даташиты на драйверы IR2101, IR2102 и их 3-фазных братьев — IR2130 и HIP4086. Находим типовые схемы и-и-и что мы там видим?

источник: infineon, IR2101/IR2102 datasheet

В обоих плечах стоят N-канальные полевики. Есть даже одноканальные драйверы верхнего плеча IR2117 и IR2118, так же заточенные под N-MOSFET.

Как такое возможно?

Канал полевого транзистора в открытом состоянии — это, по сути, резистор с очень маленьким сопротивлением. Чтобы перевести канал в такое состояние, нужно вкачать достаточный заряд в затвор — подать на него напряжение относительно истока (V_GS). Для N-канального V_GS — положительная величина, и вот тут с верхним ключом получается засада…

Раз это верхний ключ, то он должен подключать нагрузку к плюсу питания. При этом, раз это N-канальный полевик, то питание будет на стоке (drain), а нагрузка подключена к истоку (source). Значит, при открытом транзисторе мы хотим увидеть на истоке плюс питания, самый высокий доступный потенциал в схеме. Но чтобы транзистор открылся, на затворе требуется потенциал еще больше. Нужен способ прыгнуть выше головы.

Как ни странно, сделать это не слишком-то и сложно. Прием называется bootstrap capacitor, и магия здесь в двух дополнительных компонентах — диоде и конденсаторе (ну и драйвере, который может с ними дружить). В целом, работает это дело в 2 этапа.

Рассмотрим на фрагменте Н-моста. На первом этапе верхний ключ закрыт, нижний открыт и конденсатор «видит землю». Если он разряжен, то через него сквозь диод и сквозь нижний ключ протекает ток. До тех пор, пока конденсатор не зарядится до напряжения питания драйвера.

На втором этапе нижний ключ закрывается и у конденсатора «земля уходит из-под ног». Напряжение на конденсаторе итак не может измениться мгновенно, а уж в присутствии обратно включенного диода — и подавно. Поэтому с точки зрения драйвера он превращается в батарейку, которая подсоединяется минусом к истоку верхнего полевика. Теперь затвор сможет получить нужное ему V_GS выше питания, транзистор откроется и все будут довольны.

С идеальными компонентами верхний ключ можно было бы держать открытым вечно. Но все же конденсатор потихоньку разряжается из-за токов утечки, паразитных сопротивлений и прочих обидных вещей. Поэтому надо периодически повторять первый этап — закрывать верхний ключ и давать конденсатору дозарядиться.

В расчете номинала конденсатора главные роли играют два параметра. Первый из них — Q_g транзистора (total gate charge), измеряемый в кулонах и указанный в даташите. Второй — допустимое уменьшение напряжения на конденсаторе после того, как он отдаст заряд затвору. Эта величина выбирается инженером с опорой на характеристики драйвера, список использованных номиналов и впечатления от обеда в заводской столовой. В итоге остается лишь поделить одно на другое:

C = Q/ΔV

Если время включения верхнего ключа может быть достаточно большим, то при расчете учитываются упомянутые утечки. Более подробные формулы и примеры рассчета можно посмотреть в аппноутах AN-6076 от ON Semiconductor или AN9324 от Intersil. Обычно адекватные номиналы конденсатора лежат в пределах от сотен нФ до единиц мкФ.

Ради чего вся эта макарена? Ну, для начала, N-канальные полевики считаются более дешевыми, надежными и вообще «более лучшими» в сравнении с аналогичными P-канальными. Кроме того, оптимизация перечня элементов — для снабженца один тип транзисторов лучше разных двух. И даже если сделать «по логике» и поставить P-канальный в верхнее плечо, все равно могут потребоваться дополнительные усилия, особенно если напряжение в силовой части выше, чем питание драйвера.

Полевой транзистор »Примечания по электронике

Полевой транзистор, полевой транзистор, представляет собой трехконтактное активное устройство, которое использует электрическое поле для управления током и имеет высокий входной импеданс, который полезен во многих схемах.

FET, полевой транзистор, руководство включает:
FET основы Характеристики полевого транзистора JFET МОП-транзистор МОП-транзистор с двойным затвором Силовой МОП-транзистор MESFET / GaAs полевой транзистор HEMT & PHEMT Технология FinFET

Полевой транзистор FET — ключевой электронный компонент, используемый во многих областях электронной промышленности.

Полевой транзистор, используемый во многих схемах, состоящих из дискретных электронных компонентов, в областях от ВЧ-технологий до управления мощностью и электронного переключения до общего усиления.

Однако в основном полевые транзисторы используются в интегральных схемах. В этом приложении схемы на полевых транзисторах потребляют гораздо меньше энергии, чем микросхемы, использующие технологию биполярных транзисторов. Это позволяет работать очень крупным интегральным схемам. Если бы использовалась биполярная технология, потребляемая мощность была бы на несколько порядков больше, а генерируемая мощность была бы слишком большой, чтобы рассеиваться на интегральной схеме.

Помимо использования в интегральных схемах, дискретные версии полевых транзисторов доступны как в виде выводных электронных компонентов, так и в качестве устройств для поверхностного монтажа.

Полевой транзистор, история полевых транзисторов

До того, как первые полевые транзисторы были представлены на рынке электронных компонентов, эта концепция была известна в течение ряда лет. Было много трудностей в реализации этого типа устройства и в том, чтобы заставить его работать.

Некоторые из первых концепций полевого транзистора были изложены в статье Лилиенфилда в 1926 году и в другой статье Хайля в 1935 году.

Следующие основы были заложены в 1940-х годах в Bell Laboratories, где была создана группа по исследованию полупроводников. Эта группа исследовала ряд областей, относящихся к полупроводникам и полупроводниковой технологии, одним из которых было устройство, которое могло бы модулировать ток, протекающий в полупроводниковом канале, путем размещения электрического поля рядом с ним.

В ходе этих ранних экспериментов исследователи не смогли воплотить идею в жизнь, превратив свои идеи в другую идею и, в конечном итоге, изобрели другую форму компонента полупроводниковой электроники: биполярный транзистор.

После этого большая часть исследований в области полупроводников была сосредоточена на улучшении биполярного транзистора, и идея полевого транзистора некоторое время не была полностью исследована. Сейчас полевые транзисторы очень широко используются, являясь основным активным элементом во многих интегральных схемах.Без этих электронных компонентов технология электроники была бы совсем другой, чем сейчас.

Заметка об изобретении и истории полевого транзистора:

На разработку полевого транзистора ушло много лет. Первые идеи концепции появились в 1928 году, но только в 1960-х годах они стали широко доступны.

Узнайте больше об изобретении и истории полевого транзистора

Полевой транзистор — основы

Концепция полевого транзистора основана на концепции, согласно которой заряд на соседнем объекте может притягивать заряды в полупроводниковом канале.По сути, он работает с использованием эффекта электрического поля — отсюда и название.

Полевой транзистор состоит из полупроводникового канала с электродами на обоих концах, называемых стоком и истоком.

Управляющий электрод, называемый затвором, помещается в непосредственной близости от канала, так что его электрический заряд может влиять на канал.

Таким образом, затвор полевого транзистора контролирует поток носителей (электронов или дырок), текущий от истока к стоку. Он делает это, контролируя размер и форму проводящего канала.

Полупроводниковый канал, по которому протекает ток, может быть P-типа или N-типа. Это дает начало двум типам или категориям полевых транзисторов, известных как полевые транзисторы с P-каналом и N-каналом.

Кроме этого, есть еще две категории. Увеличение напряжения на затворе может либо истощить, либо увеличить количество носителей заряда, доступных в канале. В результате есть полевые транзисторы в режиме улучшения и полевые транзисторы в режиме истощения.

Поскольку только электрическое поле управляет током, протекающим в канале, говорят, что устройство работает от напряжения и имеет высокое входное сопротивление, обычно много МОм.Это может быть явным преимуществом перед биполярным транзистором, работающим от тока и имеющим гораздо более низкий входной импеданс.

Цепи на полевых транзисторах

Полевые транзисторы широко используются во всех схемах, от схем с дискретными электронными компонентами до интегральных схем.

Примечание по конструкции схемы полевого транзистора:

Полевые транзисторы могут использоваться во многих типах схем, хотя есть три основные конфигурации: общий исток, общий сток (истоковый повторитель) и общий затвор.Сама схема довольно проста и может быть взята на вооружение довольно легко.

Подробнее о Схема полевого транзистора

Поскольку полевой транзистор представляет собой устройство, работающее от напряжения, а не токовое устройство, такое как биполярный транзистор, это означает, что некоторые аспекты схемы сильно отличаются: в частности, устройства смещения. Однако проектировать электронную схему с полевыми транзисторами относительно просто — она ​​немного отличается от схемы с использованием биполярных транзисторов.

Используя полевые транзисторы, можно спроектировать такие схемы, как усилители напряжения, буферы или повторители тока, генераторы, фильтры и многое другое, а схемы очень похожи на схемы для биполярных транзисторов и даже термоэмиссионных клапанов / вакуумных ламп. Интересно, что клапаны / лампы также являются устройствами, работающими от напряжения, и поэтому их схемы очень похожи, даже с точки зрения устройства смещения.

Типы полевых транзисторов

Есть много способов определить различные типы доступных полевых транзисторов.Различные типы означают, что при проектировании электронной схемы необходимо выбрать правильный электронный компонент для схемы. Правильно подобрав устройство, можно получить наилучшие характеристики для данной схемы.

можно разделить на несколько категорий, но некоторые из основных типов полевых транзисторов можно рассмотреть на древовидной диаграмме ниже.

На рынке существует множество различных типов полевых транзисторов, которые имеют разные названия.Некоторые из основных категорий отложены ниже.

• Junction FET, JFET: Junction FET, или JFET, использует диодный переход с обратным смещением для обеспечения соединения затвора. Структура состоит из полупроводникового канала, который может быть N-типа или P-типа. Затем на канал устанавливается полупроводниковый диод таким образом, чтобы напряжение на диоде влияло на канал полевого транзистора.

  При работе он имеет обратное смещение, а это означает, что он эффективно изолирован от канала — только обратный ток диода может течь между ними.JFET — это самый базовый тип полевого транзистора, который был разработан впервые. Однако он по-прежнему обеспечивает отличный сервис во многих областях электроники.

  
  

• Полевой транзистор с изолированным затвором / полевой транзистор на основе оксида металла и кремния МОП-транзистор: В МОП-транзисторе используется изолированный слой между затвором и каналом. Обычно он формируется из слоя оксида полупроводника.

  Название IGFET относится к любому типу полевого транзистора с изолированным затвором.Наиболее распространенной формой IGFET является кремниевый MOSFET — металлооксидный кремниевый полевой транзистор. Здесь затвор выполнен из слоя металла, нанесенного на оксид кремния, который, в свою очередь, находится на канале кремния. МОП-транзисторы широко используются во многих областях электроники, особенно в интегральных схемах.

  Ключевым фактором IGFET / MOSFET является чрезвычайно высокий импеданс затвора, который эти полевые транзисторы могут обеспечить. Тем не менее, будет соответствующая емкость, и это уменьшит входное сопротивление при повышении частоты.

  
  

• МОП-транзистор с двумя затворами: Это специализированная форма МОП-транзистора, у которого два затвора расположены последовательно вдоль канала. Это позволяет значительно улучшить производительность, особенно на ВЧ, по сравнению с устройствами с одним затвором.

  Второй затвор полевого МОП-транзистора обеспечивает дополнительную изоляцию между входом и выходом, и в дополнение к этому его можно использовать в таких приложениях, как смешивание / умножение.

  
  

• MESFET: Кремниевый полевой транзистор MEtal обычно изготавливается из арсенида галлия и часто называется полевым транзистором на основе GaAs. Часто GaAsFET используются в ВЧ-приложениях, где они могут обеспечить низкий уровень шума с высоким коэффициентом усиления. Одним из недостатков технологии GaAsFET является очень маленькая структура затвора, что делает ее очень чувствительной к повреждению статическим электричеством. При обращении с этими устройствами необходимо соблюдать особую осторожность.

  
  

• HEMT / PHEMT: Транзистор с высокой подвижностью электронов и псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов являются развитием базовой концепции полевого транзистора, но разработаны для обеспечения работы на очень высоких частотах. Несмотря на то, что они дороги, они позволяют достичь очень высоких частот и высокого уровня производительности.

  
  

• FinFET: Технология FinFET теперь используется в интегральных схемах, чтобы обеспечить более высокий уровень интеграции за счет меньших размеров элементов.Поскольку требуются более высокие уровни плотности и становится все труднее реализовать все более мелкие размеры элементов, технология FinFET используется все более широко.

  
  

• VMOS: Стандарт VMOS для вертикальной MOS. Это тип полевого транзистора, который использует вертикальный ток для улучшения коммутационных и токонесущих характеристик. Полевые транзисторы VMOS широко используются в энергетических приложениях.

Хотя в литературе можно встретить несколько других типов полевых транзисторов, часто эти типы являются торговыми наименованиями для конкретной технологии и являются вариантами некоторых типов полевых транзисторов, перечисленных выше.

Характеристики полевого транзистора

Помимо выбора конкретного типа полевого транзистора для данной схемы, также необходимо понимать различные спецификации. Таким образом можно гарантировать, что полевой транзистор будет работать с требуемыми рабочими параметрами.

включают все: от максимально допустимых напряжений и токов до уровней емкости и крутизны. Все они играют роль в определении того, подходит ли какой-либо конкретный полевой транзистор для данной схемы или приложения.

Технология полевых транзисторов может использоваться в ряде областей, где биполярные транзисторы не так подходят: каждое из этих полупроводниковых устройств имеет свои преимущества и недостатки и может использоваться с большим эффектом во многих схемах. Полевой транзистор имеет очень высокий входной импеданс и является устройством, управляемым напряжением, что позволяет использовать его во многих областях.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

10.2: Измерение основных транспортных свойств полевых транзисторов

Типичные характеристики V-I полевых транзисторов

Развертка напряжения — отличный способ узнать об устройстве. На рисунке \ (\ PageIndex {10} \) показан типичный график развертки напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток при измерении тока стока, ID для n-канального JFET. Характеристики V-I имеют четыре различных региона. Анализ этих областей может предоставить важную информацию о характеристиках устройства, таких как напряжение отсечки, VP, усиление прозрачности, gm, сопротивление канала сток-исток, RDS и рассеиваемая мощность, PD.

Омическая область (линейная область)

Эта область ограничена VDS

\ [R_ {DS} \ = \ \ frac {\ Delta V_ {DS}} {\ Delta I_ {D}} \ = \ \ frac {1} {g_ {m}} \ label {1} ​​\]

\ [g_m \ = \ \ frac {\ Delta I_ {D}} {\ Delta V_ {DS}} \ = \ \ frac {1} {R_ {DS}} \ label {2} \]

Область насыщенности

Это область, в которой JFET полностью включен. Максимальный ток протекает для данного напряжения затвор-исток. В этой области ток стока можно смоделировать с помощью \ ref {3}, где ID — ток стока, IDSS — максимальный ток, VGS — напряжение затвор-исток, а VP — напряжение отсечки.Решение для напряжения отсечки приводит к \ ref {4}.

\ [I_ {D} \ = \ I_ {DSS} (1 \ — \ frac {V_ {GS}} {V_ {P}}) \ label {3} \]

\ [V_ {P} \ = \ 1 \ — \ \ frac {V_ {GS}} {\ sqrt {\ frac {I_D} {I_ {DSS}}}} \ label {4} \]

Область разбивки

Эта область характеризуется резким увеличением тока. Подаваемое напряжение сток-исток превышает предел сопротивления полупроводникового канала, в результате чего транзистор выходит из строя и протекает неконтролируемый ток.

Область отсечения (обрезанная область)

В этой области напряжения затвор-исток достаточно, чтобы ограничить поток через канал, по сути, отсекая ток стока.{2} / R_ {DS} \ label {5} \]

V-I характеристики p-канального JFET ведут себя аналогично, за исключением того, что напряжения меняются местами. В частности, точка отсечки достигается, когда напряжение затвор-исток увеличивается в положительном направлении, а область насыщения достигается, когда напряжение сток-исток увеличивается в отрицательном направлении.

Типичные характеристики V-I полевых МОП-транзисторов

На рисунке \ (\ PageIndex {11} \) показан типичный график развертки напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток при измерении тока стока, I _D для идеального n-канального полевого МОП-транзистора.Подобно JFET, V-I характеристики MOSFET имеют отдельные области, которые предоставляют ценную информацию о транспортных свойствах устройства.

Омическая область (линейная область)

n-канальный усовершенствованный МОП-транзистор ведет себя линейно, действуя как переменный резистор, когда напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение, а напряжение сток-исток больше, чем напряжение затвор-исток. В этой области ток стока можно смоделировать с помощью \ ref {6}, где ID — ток стока, VGS — напряжение затвор-исток, VT — пороговое напряжение, VDS — напряжение сток-исток, а k — геометрическое коэффициент, описываемый как \ ref {7}, где µ _n — эффективная подвижность носителей заряда, C _OX — емкость оксида затвора, W — ширина канала, а L — длина канала.{2} \ label {8} \]

Решение для порогового напряжения VT приводит к \ ref {9}.

\ [V_ {T} \ = \ V_ {GS} \ — \ \ sqrt {\ frac {I_ {D}} {k}} \ label {9} \]

Область отсечения (обрезанная область)

Когда напряжение затвор-исток, VGS, ниже порогового напряжения VT, носители заряда в канале недоступны, «перекрывая» поток заряда. Рассеяние мощности для полевых МОП-транзисторов также можно решить с помощью уравнения 6 в любой области, как в случае полевого транзистора.

FET V-I Сводка

Типичные ВАХ для всего семейства полевых транзисторов, показанных на рисунке \ (\ PageIndex {11} \), показаны на рисунке \ (\ PageIndex {12} \).

Из рисунка \ (\ PageIndex {12} \) видно, как схемы легирования, которые приводят к усилению и истощению, смещены вдоль оси VGS. Кроме того, из графика можно определить состояние ВКЛ или ВЫКЛ для данного напряжения затвор-исток, где (+) положительно, (0) равно нулю, а (-) отрицательно, как показано в Таблице \ (\ PageIndex {1} \).

Рынок полевых транзисторов (FET): глобальный анализ основных производителей, динамика и прогноз на 2027 год

Отдел новостей MarketWatch не участвовал в создании этого контента.

4 августа 2021 г. (Market Insight Reports) — В отчете об исследовании изучается рынок полевых транзисторов (FET) с использованием различных методологий и анализаторов, чтобы предоставить точную и всестороннюю информацию о рынке. Для более четкого понимания он разделен на несколько частей, охватывающих различные аспекты рынка. Затем каждое место разрабатывается, чтобы помочь читателю понять потенциал роста каждого региона и его вклад в мировой рынок.Аналитики данных использовали первичную и вторичную методологии для консолидации информации в отчете. Они также использовали те же данные для создания текущего бизнес-сценария.

Ведущие Компании на мировом рынке полевых транзисторов (FET): Infineon Technologies, STMicroelectronics, ON Semiconductor, Vishay, NXP Semiconductors, Toshiba, Alpha & Omega, Fuji Electric, NTE , Microchip, Broadcom Limited, MagnaChip, Silan, ROHM, IceMOS Technology, DACO, WUXI NCE POWER, CYG Wayon, Semipower и другие.

Получите бесплатный образец копии этого отчета:

https://www.marketinsightsreports.com/reports/08033147136/global-and-japan-field-effect-transistor-fet-market-insights-forecast-to- 2027 / запрос? Mode = A1

По типам:

Соединительный полевой транзистор (JFET)

MOSFET

По применению ( Полевой транзистор (FET))

Автомобильная промышленность

PV

Другое

Объем отчета:

Это исследование рынка полевых транзисторов (FET) охватывает глобальный и региональный рынок с углубленным анализом общих перспектив роста на рынке.Кроме того, он проливает свет на всеобъемлющую конкурентную среду на мировом рынке. В отчете также предлагается обзор на панели инструментов ведущих ключевых игроков, охватывающий их успешные маркетинговые стратегии, вклад на рынок, недавние события как в историческом, так и в настоящем контексте.

Регионы далее подразделяются на:

— Северная Америка — США, Канада и Мексика
— Европа — Великобритания, Германия, Франция, Италия, Россия, Испания и остальные страны Европы
— Азиатско-Тихоокеанский регион — Китай, Индия, Япония, Южная Корея, Австралия и остальные страны Азиатско-Тихоокеанского региона
— Латинская Америка — Бразилия, Аргентина, Перу, Чили и остальные страны Латинской Америки
— Ближний Восток и Африка — Саудовская Аравия, ОАЭ, Израиль, Южная Африка

Просмотрите полный отчет для ТОС и описания:

https: // www.marketinsightsreports.com/reports/08033147136/global-and-japan-field-effect-transistor-fet-market-insights-forecast-to-2027?Mode=A1

Ключевые вопросы, ответы на которые дает глобальный полевой транзистор (FET ) Отраслевой отчет

• Каков будет размер рынка полевых транзисторов (FET)?
• Какие есть новые возможности?
• Какая доля рынка?
• Что такое целевая аудитория?
• Какие игроки являются ведущими игроками на рынке полевых транзисторов (FET)?
• Как будет развиваться конкуренция в будущем?
• Какие страны-лидеры?
• Какие задачи ждут вас в будущем?

В отчете представлена ​​подробная оценка рынка с выделением информации по различным аспектам, включая драйверы, ограничения, возможности и угрозы.Эта информация может помочь заинтересованным сторонам принять соответствующие решения перед инвестированием. Кроме того, это также позволяет вам проводить ценные исследования конкурентов, чтобы получить вдохновение для маркетинга продуктов. Когда дело доходит до удовлетворения, необходимо иметь четкое представление о том, что именно происходит на рынке. В этом отчете точно представлен общий рыночный сценарий.

Настройка отчета:

Глобальный рынок полевых транзисторов (FET), отчет может быть настроен в соответствии с требованиями вашего бизнеса, поскольку мы понимаем, что хотят наши клиенты, мы расширили 25% -ную настройку без дополнительных затрат на все наши клиентов для любого из наших синдицированных отчетов.

Помимо настройки наших отчетов, мы также предлагаем полностью адаптированные исследовательские решения для наших клиентов во всех отраслях, которые мы отслеживаем.

Наши исследования и идеи помогают нашим клиентам находить совместимых деловых партнеров.

COMTEX_3