Рис. 2.. Залежність опорів каналів транзисторів КМОП-ключа від Uвх

2.3. Статичні характеристики

Опір у відкритому (включеному) стані. Ключі КМОП, що працюють від відносно високої напруги живлення (наприклад +15 В), матимуть малі значення R0 у всьому діапазоні значень вхідного сигналу, оскільки завжди той або інший провідний транзистор матиме прямий зсув затвора, рівний, принаймні, половині напруги живлення. Але при меншій напрузі живлення опір ключа R0 зростатиме, і максимум його має місце при середньому рівні сигналу між високою і низькою напругами живлення.

На рис. 2.5 наведені залежності R0 ключа мікросхеми ключа MAX312 від напруги вхідного сигналу при однополярному живленні. При зменшенні Uпит опір польового транзистора у включеному стані значно збільшується (особливо поблизу точки Uвх = Uпит/2). Це пояснюється тим, що для польового транзистора збагаченого типу порогова напруга складає декілька вольт, і для досягнення малих значень R0 потрібна напруга затвор-витік не менша, ніж 5...10 В. Як видно з рис 2.5, опір відкритого ключа при номінальній напрузі живлення, близький 10 Ом, при Uпит = 2,7 В досягає 700 Ом.

Рис. 2.. Залежність R0 КМОП-ключа від вхідної напруги при однополярному включенні для різних значень живлячої напруги

Є різні прийоми, які розробники ІМС аналогових ключів застосовують, щоб зберегти значення R0 малим і приблизно постійним у всьому діапазоні зміни вхідних сигналів. Це потрібно для зменшення нелінійних спотворень вхідного сигналу. Для цього схему управління ключем виконують так, щоб напруга n-підкладки "стежила" за напругою вхідного сигналу. Застосування транзисторів з малою напругою відсічення і підвищеною крутизною дозволяє побудувати ключі з досить малим R0 при низькій живлячій напрузі. Так наприклад, одноканальний ключ ADG701 при однополярному живленні +5 В має опір R0 не більше 2,5 Ом. На рис. 2.6 наведені залежності опору відкритого ключа низьковольтної мікросхеми МАХ391 від напруги вхідного сигналу для різних живлячих напруг при однополярному (а) і різнополярному (б) живленні.

(а) | (б)

Рис. 2.. Графіки залежностей R0 ключа ІМС MAX391 від вхідної напруги при однополярному (а) і різнополярному (б) включенні для різних значень живлячої напруги

Застосування КМОП-логіки для управління транзисторами ключів дає ще один важливий позитивний ефект – у спокої ці мікросхеми практично не споживають енергії.

Струм витоку каналу. У закритому стані канал МОП-ключа володіє дуже високим динамічним опором (до сотень ГОм) при напрузі стік-витік більше 0,1 В. Тому його приймають джерелом струму із струмом Iут. Напрям протікання струму витоку через закритий КМОП-ключ визначається полярністю прикладеної напруги. Типове значення Iут для широкої номенклатури аналогових ключів і мультиплексорів складає величину близько 1 нА. Проте випускаються і ключі із пониженим струмом витоку. Наприклад у одноканального ADG431 типовий струм витоку – 0,05 нА. При дуже низьких напругах на закритому ключі опір каналу зменшується, але залишається все-таки досить високим.

2.4. Динамічні характеристики

Міжелектродні ємності. МОП-ключі володіють наступними ємностями (рис. 2.7): між входом і виходом (ССИ), між каналом і загальною точкою схеми (СС, СИ), між затвором і каналом (СЗ) і між ключами в межах одного кристала. Як правило, наявність цих ємностей погіршує характеристики ключів.

Рис. 2.. Ємності МОП-ключа

ССИ (ємність вхід-вихід). Наявність цієї ємності приводить до проход-жен-ня сигналу через розімкнений ключ, який на високих частотах зростає. На рис. 2.8. показаний цей ефект для мікросхеми чотириканального аналогового ключа типу МАХ312. Тут крива 1 є амплітудно-частотною характеристикою послідовного ключа, навантаженого на резистор 50 Ом ву замкненому стані. Крива 2 – фазочастотна характеристика для цього ж випадку. Крива 3 представляє амплітудно-частотну характеристику ключа в розімкненому стані при тому ж навантаженні. Як видно, навіть при навантаженні 50 Ом крізне проходження сигналу на високих частотах стає значним. При навантаженні 10 кОм ситуація з крізною передачею сигналу, звичайно ж набагато гірша.

Рис. 2.. Частотні характеристики послідовного ключа на ІМС МАХ312

У більшості низькочастотних застосувань ємнісне крізне проходження сигналу через розімкнений ключ не створює проблем. Якщо вони виникають, хорошим рішенням є використання пари включених каскадний ключів (рис. 9а) або, що ще краще, використання послідовно-паралельного ключа (рис. 9б).

Послідовний каскад подвоює ослаблення (у децибелах) ціною додаткового дільника напруги, тоді як послідовно-паралельна схема зменшує пряме проходження, знижуючи ефективний опір навантаження до R0, коли послідовний ключ розімкнений. Багато фірм випускають ІМС аналогових ключів, що містять по два нормально замкнених (тобто замкнених при низькому рівні управляючого сигналу) і два нормально розімкнені ключі. Це, наприклад, МАХ314 DG413, 590КН4 та ін. Ці мікросхеми дозволяють найпростіше побудувати послідовно-паралельні ключі.

Рис. 2.. Схеми, що забезпечують поліпшені характеристики ключів у розімкненому стані

СС, СИ (ємність відносно землі). Шунтуюча на землю ємність приводить до згаданого раніше спаду частотної характеристики (криві 1 і 2 на рис. 8). Спільно з опором джерела сигналу і опором замкненого ключа R0 ці ємності утворюють фільтр нижніх частот. Ситуація посилюється при високоомному джерелі сигналу.

Ємність між ключами. Оскільки звичайно на кристалі розміщується декілька ключів, то не слід дивуватися при появі наведень між каналами. Винуватицею може бути ємність між каналами, що складає величину близько 0,5 пФ.