Динамічні перешкоди. Під час переходу від включеного стану до виключеного і назад у аналогових ключах на польових транзисторах можуть виникати неприємні ефекти. Стрибок управляючої напруги, поданий на затвор, викликає зміну заряду в ланцюзі каналу. Це найбільш суттєво при рівнях сигналів, що відповідають розімкненому ключу. Подібні ефекти виникають і в мультиплексорах підчас зміни адреси каналу.

Зважаючи на важливість цієї проблеми, розглянемо її детальніше. На рис. 2.10 зображена форма вихідного сигналу, яку можна побачити на виході n_канального МОП-ключа, схема якого показана на рис. 2.3а, при нульовому рівні вхідного сигналу і навантаженні, що складається з резистора опором 10 кОм і паралельного йому конденсатора з ємністю 20 пФ. Ці сплески і провали викликані перенесенням заряду в канал через ємність СЗ, що має величину близько 5 пФ, (рис. 2.7) при зміні напруги затвора. Ця напруга робить різкий скачок від одного рівня живлення до іншого, переносячи заряд
q = + СЗ (UЗИ.выс – UЗИ.низ).

Рис. 2.. Викиди вихідної напруги при комутації ключа

Відмітимо, що величина переносимого заряду залежить тільки від повної зміни напруги затвора і не залежить від часу, за який ця зміна відбувається. Сповільнення зміни сигналу на затворі викликає меншу за амплітудою, але довшу динамічну перешкоду з тією ж площею під графіком. Фільтрація вихідного сигналу ключа фільтром нижніх частот дає той же ефект. Такі заходи можуть допомогти в тих випадках, коли важливо добитися малого піку амплітуди динамічної перешкоди, проте в смислі виключення пропускання управляючої напруги із затвора на вихід вони неефективні. Можна спробувати частково компенсувати заряд перемикання шляхом добавки інвертованого сигналу затвора через компенсуючий підстроєчний конденсатор малої ємності СК (рис. 2.11).

Рис. 2.. Компенсація зряду перемикання

Ємність затвор-канал розподілена по всій довжині каналу, а це значить, що частина заряду перемикання (перешкоди) потрапляє на вхід ключа, викликаючи перехідні процеси на виході джерела сигналу. Ці процеси будуть мінімальні, якщо джерело сигналу володіє нульовим вихідним опором, тобто є джерелом Е.Р.С. Зменшення повного опору навантаження також приводить до зниження динамічної перешкоди, але при цьому навантажується джерело комутованого сигналу і вносяться додаткові статична погрішність і нелінійність за рахунок кінцевого і нелінійного R0. Зменшення ємності затвор-канал за рахунок скорочення розмірів інтегрального МОП-транзистора зменшує перехідні перешкоди при перемиканні ключа, але за це доводиться платити збільшенням R0.

На рис. 2.12 наведені криві перенесення заряду для ключа з управляючим p-n-переходом (див. рис. 2.2). Як видно, для такого типу ключа існує сильна залежність величини динамічної перешкоди від сигналу, оскільки діапазон зміни напруги затвора пропорційний різниці між рівнем вхідного сигналу і рівнем негативної напруги живлення. Добре збалансовані КМОП-ключі мають відносно малу динамічну перешкоду, оскільки заряди, що надходять у канал, у комплементарних МОП-транзисторів прагнуть компенсувати один одного (коли на одному затворі напруга зростає, на другом – падає).

Залежність заряду перемикання ключа на польовому транзисторі з управляючим р-п-переходом від Uвх

На рис. 2.13 наведені залежності заряду перемикання від вхідної напруги для інтегрального КМОП-ключа МАХ312 при двохполярному живленні +15 В (крива А) і однополярному +12 В (крива В). Щоб дати уявлення про масштаб цих ефектів, скажемо, що заряд 30 пКл створює скачок напруги в 3 мВ на кон-денсаторі ємністю 0,01 мкФ. Для багатьох застосувань це дуже суттєва величина.

Рис. 2.. Залежність заряду перемикання КМОП-ключа МАХ312 від вхідної напруги

Швидкодія. Ключі на польових транзисторах мають опір у відкритому стані R0 від 10 Ом до сотень Ом. У комбінації з ємністю підкладки і паразитними ємностями цей опір утворює фільтр нижніх частот, що обмежує область частот сигналів, які пропускаються, значеннями близько 10 Мгц і навіть нижче. Польові транзистори з меншим R0 мають звичайно більшу ємність, так що виграшу в швидкості наростання вихідного сигналу вони не дають. Значна частка обмеження частотної характеристики викликана елементами захисту – послідовними струмообмежуючими резисторами і шунтуючими діодами, застосовуваними майже у всіх КМОП-схемах. Спеціальні високошвидкісні ключі, наприклад, МАХ453 фірми Maxim мають типову смугу пропускання до 50 Мгц і призначені для передачі сигналів відеочастоти амплітудою +/– 1 В від низькоомних джерел (звичайно 75 Ом) на узгоджене навантаження.

Час перемикання. Тривалість перехідного процесу включення і виключення (tвкл і tвикл) ключа на МОП-транзисторах визначається часом перезаряджання ємності затвор-канал. Зменшення цієї ємності пов'язане із зростанням R0, тому звичайно підвищення швидкості перемикання добиваються зниженням вихідного опору ланцюгів, що здійснюють управління напругою на затворі комутуючого МОП-транзистора. При цьому зростає струм, споживаний схемою від джерела живлення. Характерна величина часу перемикання для КМОП-ключів складає близько 0,2 мкс при струмі споживання в статичному стані менше 1 мкА.

Висновки

Отже, польовий транзистор – це напівпровідниковий прилад, підсилювальні властивості якого зумовлені потоком основних носіїв, що протікає через провідний канал і керований електричним полем. На відміну від біполярних робота польових транзисторів заснована на використанні основних носіїв заряду в напівпровіднику. За конструктивним виконанням і технологією виготовлення польові транзистори можна розділити на дві групи: польові транзистори з управляючим р-п-переходом і польові транзистори з ізольованим затвором.

Польовий транзистор як елемент схеми є активним несиметричним чотириполюсником, у якого один із затисків є загальним для ланцюгів входу і виходу. Залежно від того, який з електродів польового транзистора підключений до загального виведення, розрізняють схеми: із загальним витоком і входом затвор; із загальним стоком і входом на затвор; із загальним затвором і