Проходной ключ на MOSFET транзисторах
В данном техническом обзоре представлена простая схема на MOSFET транзисторах, которую можно использовать как управляемый напряжением проходной ключ.
Вспомогательная информация
Обычно мы встречаем MOSFET транзисторы с истоками и стоками, подключенными (либо напрямую, либо через, например, резистор или активную нагрузку) к положительной и отрицательной шинам питания, причем затвор действует как входной вывод. Это верно как для аналоговых схем, таких как усилитель с общим истоком, так и для цифровых схем, таких как вездесущий КМОП инвертор. Однако хорошо бы помнить, что использование MOSFET транзисторов не ограничивается подобными схемами.
Канал, созданный достаточно высоким напряжением затвор-исток, позволяет току протекать между выводами истока и стока, и в этом смысле MOSFET транзистор является ключом, управляемым напряжением. Таким образом, не существует закона, который мешает нам использовать исток и сток в качестве входного и выходного выводов и при этом подавать управляющее напряжение на затвор.
Один NMOS (или PMOS) транзистор может использоваться как управляемый напряжением ключ. «Схема» (на самом деле просто один транзистор) выглядит следующим образом:
Обратите внимание, что я удалил стрелку, которая обычно идентифицирует исток. Это связано с тем, что вывод истока фактически изменяется в зависимости от того, выше ли V1, чем V2, или V2 выше, чем V1. Кроме того, использование V1 и V2 вместо Vвх и Vвых предназначено для подчеркивания того, что этот единственный NMOS транзистор действительно может проводить ток в обоих направлениях.
Как вы, вероятно, ожидали, эта схема далека от идеального ключа. Одной из проблем является напряжение истока: на ток через MOSFET транзистор влияет напряжение истока, а напряжение истока зависит от того, какой сигнал проходит через ключ. Действительно, если затвор управляется драйвером, напряжение которого не может превышать VDD, транзистор может передавать сигналы с напряжением только до значения VDD минус пороговое напряжение. Это ограничение порогового напряжения усугубляется влиянием корпуса, которое проявляется, когда потенциалы на выводах истока и корпуса полевого транзистора не одинаковы.
Когда вы поанализируете и поразмышляете над этим ключом, вы увидите определенную асимметрию. Например, если мы используем этот ключ для проходной транзисторной логики, NMOS транзистор (MOSFET транзистор с каналом N-типа) сможет эффективно передавать сигнал низкого логического уровня, но не сможет передать полный сигнал высокого логического уровня. Можно ли изменить схему таким образом, чтобы устранить эту асимметрию? Если у вас хорошее «CMOS-мышление», ваша интуиция может подсказать вам, что мы могли бы достичь лучшей итоговой производительности за счет добавления PMOS транзистора (MOSFET транзистора с каналом P-типа), чтобы компенсировать недостатки NMOS транзистора. В этом случае ваша интуиция верна.
Здесь у нас PMOS транзистор стоит параллельно NMOS транзистору; для идентификации PMOS транзистора я использовал круг «инверсии». Обратите внимание, что сигнал управления, подаваемый на PMOS транзистор, является инверсией сигнала управления, подаваемого на NMOS транзистор; это напоминает CMOS инвертор, где высокое логическое напряжение включает NMOS транзистор, а низкое логическое напряжение включает PMOS транзистор.
Этот проходной CMOS ключ является синергетической системой – NMOS транзистор обеспечивает хорошую производительность ключа в условиях, благоприятных для него самого, но не для PMOS транзистора, и PMOS транзистор обеспечивает хорошую производительность ключа в условиях, благоприятных для него самого, но не для NMOS транзистора. Результатом является простой, но эффективный двунаправленный управляемый напряжением ключ, который подходит как для аналоговых, так и для цифровых приложений.