Большое распространение получили ключи на полевых транзисторах, действие которых основано на управлении рабочим током входным напряжением (полем), имеющие структуру металл-окисел-полупроводник (МОП–транзисторы) или, что одно и то же, металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы). Для них характерно высокое входное сопротивление. На их основе строятся элементы ИС, узлы цифровых устройств с малым потреблением мощности при высокой помехоустойчивости и нагрузочной способности. Рабочий ток в полевых транзисторах, в отличие от биполярных, создается носителями одного знака; электронами – у транзисторов с n-каналом, или дырками – у транзисторов с р- каналом. По этой причине их иногда называют униполярными транзисторами. В цифровой технике наибольшее распространение получили МДП-транзисторы с индуцированным каналом, у которых проводимость в канале появляется только, если напряжение на затворе превышает некоторое пороговое Uпор той же полярности, что и напряжение на стоке (Рис 2.7а). При нулевом напряжении на затворе транзистор надежно заперт и не требуется дополнительного напряжения смещения. Напряжение Uзи, при котором в цепи сток-исток появляется ток, называется пороговым Uпор. Как видно из входной ВАХ (Рис 2.7б), условие запирания транзистора Uз<Uпор. При этом Uвых=Еп.
Рис 2.7. Ключ на МДП-транзисторе с индуцированным n-каналом.
При отпирании транзистора Uз>Uпор, ток стока достигает максимального Iс max =Ic/Rc. Напряжение на выходе (напряжение низкого уровня) обусловлено резистивным делителем Rc и сопротивлением открытого канала rk и в реальных схемах стремиться к нулю.
При огромном входном сопротивлении Rвх>1012 Ом, нагрузочная способность ключа велика даже при больших Rc. Напряжение нижнего уровня МДП-ключа низкое (практически равно нулю), в отличие от ключа на биполярном транзисторе, у которого в насыщенном режиме на выходе имеется остаточное напряжение насыщения Uкэ нас.
Быстродействие МДП-ключа целиком обусловлено только постоянной времени перезаряда паразитных емкостей – Свх и Свых. В составе ИС, вследствие малых размеров элементов на кристалле и, соответственно, малых паразитных емкостей, полевые ключи обладают высоким быстродействием. Например, тактовые частоты процессора Pentium растут с уменьшением технологических норм изготовления и составляют в настоящее время единицы ГГц.
Классическая схема ключа с резистором Rc в стоковой цепи обладает неудовлетворительным быстродействием, так как паразитные емкости перезаряжаются через большие значения Rвх и Rc. Наличие высокоомных резисторов приводит к повышенному тепловыделению на кристалле, резисторы занимают значительную площадь, их изготовление в интегральной технологии взывает значительные трудности.
Поэтому ключи со стоковой нагрузкой в современной интегральной схемотехнике не используется, но подобная схема широко используется в силовых МДП-ключах.
Рис 2.8. Интегральный МДП-ключ
Специально для ИС были разработаны ключи по схеме, показанной на рис 2.8. Транзистор VT0 всегда открыт, так как его затвор соединен со стоком и его канал выполняет функцию стокового резистора. Достоинством такого ключа является отсутствие в нем резисторов, хорошая технологичность. Быстродействие невысокое, как в предыдущей схеме, определяется перезарядом паразитных емкостей. Подобный ключ использовался в первых схемах микропроцессоров и схем высокой интеграции (первые микропроцессоры фирмы Intel и отечественный однокристальный процессор К580). В настоящее время простая МДП логика устарела.
Достоинства ИС на МДП-транзисторах раскрываются в полной мере при совместном включении в структурах с каналами противоположных типов проводимости. Подобные структуры называются комплементарными (взаимодополняющими) и обозначаются сокращенно КМДП (или КМОП). В настоящее время логика на основе ключей КМДП является основной для схем высокой интеграции, микропроцессоров, микроконтроллеров, памяти и т.д., а также выпускается в сериях ИС малой и средней интеграции для построения электронного обрамления интегральных схем большой и сверхбольшой интеграции.
Рис 2.9. Интегральный КМДП ключ-инвертор и его передаточные характеристики
Интегральный КМДП инвертор, показанный на Рис 2.9 реализуется на МДП транзисторе с индуцированным n-каналом VT1 и комплементарным транзистором VT1’; тоже МДП, но с индуцированным p-каналом. Полярность истока транзистора VT1’ должна быть отрицательна относительно стока, поэтому исток VT1’ подключен к +Еп. Когда на вход подан низкий уровень, транзистор VT1, заперт, а транзистор VT1’ открыт; на выходе высокий уровень - напряжение +Еп. Если на вход подан высокий уровень, транзистор VT1 открыт, а транзистор VT1’ заперт; на выходе низкий уровень – практически нуль. Поскольку в каждом состоянии один из транзисторов заперт, а входное сопротивление следующего каскада очень велико, ток в нагрузку практически не ответвляется; сквозной ток в цепи питания отсутствует и статическая мощность, потребляемая от источника питания, ничтожно мала и определяется только токами утечки.
Быстродействие ключа определяется временем перезаряда емкости нагрузки Сн;
¾ при Е1 на выходе она быстро заряжается через открытый верхний транзистор,
¾ при Е0 на выходе быстро разряжается через нижний верхний транзистор.
КМДП ключ обладает большим быстродействием, чем простой МОП-ключ, особенно в больших ИС, где малый размер элементов, малы паразитные емкости. В микропроцессорах тактовые частоты достигают десятки – сотни МГц, а то и ГГц (Pentium). В статическом режиме потребляемая от источника питания мощность Рп мала, но растет пропорциональна частоте переключения .
Характерным примером является процессор Pentium IV, выполненный на КМДП ключах, потребляющий и рассеивающий в виде тепла свыше 100 Вт на рабочей частоте.
Входное сопротивление ключа определяется утечками пленки диэлектрика под затвором. Для защиты от статического электричества предусмотрены диоды на входе и на выходе ключа VD1-VD6 и резистор R1 (рис2.9). При напряжении на входе Uвх>Еп, открываются диоды VD1,2, фиксируя напряжение на затворе, равно +Еп, а при Uвх<0 - диод VD3 защищает затвор от отрицательных напряжений. Диоды VD4,5 защищают выход ключа от выбросов напряжения, возникающих при работе на реактивную нагрузку. Диод VD6 защищает ключ от неправильной полярности питающего напряжения.
Передаточные характеристики инвертора КМДП для трех различных напряжения питания показаны на рис 2.9. Из характеристик видно, что пороговое напряжение переключения Uпорог для всех случаев близко к +Еп/2. Ключ обладает высокой помехозащищенностью и исключительно высокой температурной стабильностью: колебания температуры среды в пределах -55 до +125 0С изменяют отдельные участки передаточной характеристики не более 5%. В тех же условиях влияние температуры на характеристики биполярных ключей может достигать 40%.
.