3.3. Полевой транзистор как ключ

Электронные выключатели сигнала и мультиплексоры с их слабыми местами, схемы на ключах, КМОП-логика, силовые МОП-ключи и защита от статического электричества.

≈ 89 мин чтения · пунктирное подчёркивание — наведите или нажмите, чтобы увидеть пояснение

Вспомните два примера из начала главы: лампа, которую включает МОП-транзистор, и электронный выключатель аналогового сигнала. Оба — ключи, и ключи, пожалуй, самое массовое применение ПТ. Работают они благодаря двум свойствам, которых нет у биполярного транзистора: затвор почти не потребляет тока, а открытый канал — это обычное сопротивление, проводящее в обе стороны до самого нуля вольт.

Сегодня аналоговые и цифровые ключи почти всегда покупают в виде микросхем на МОП-транзисторах; отдельные ПТ остались в основном в силовых ключах. Зачем же разбираться во внутренностях? Затем, что у ключей есть неочевидные привычки — сопротивление, меняющееся с уровнем сигнала, просачивание через ёмкости, выбросы при переключении, защёлкивание, — и тот, кто о них не знает, рано или поздно получит схему, которая ведёт себя загадочно.

Ключи на ПТ: о чём этот раздел

Аналоговые ключи

Схемы на ключах

Логика и силовые ключи

Обращение с МОП

3.3.1Аналоговые ключи и мультиплексоры

≈ 11 мин3 упр.

Главное

МОП-ключ: $R_{вкл}$ 25–100 Ом при +15 В на затворе, $R_{выкл}$ больше 10 000 МОм; сигнал идёт в обе стороны.
Затвор должен быть на несколько вольт выше самого положительного сигнала (замкнут) и ниже самого отрицательного (разомкнут).
КМОП-ключ (n и p параллельно) пропускает весь диапазон от земли до $U_{CC}$ .
Ключи + дешифратор = мультиплексор (он же демультиплексор).

Что мы ждём от выключателя сигнала? Того же, что делает хороший тумблер: в положении «вкл» — передать сигнал без ослабления и искажений, в положении «выкл» — разорвать цепь, причём сам выключатель не должен добавлять ёмкости на землю и не должен «пачкать» сигнал командой управления. Тумблер, однако, не переключишь от микроконтроллера тысячу раз в секунду. МОП-транзистор переключишь — и по набору качеств он подходит на эту роль лучше всего: малое сопротивление в открытом состоянии при любом уровне сигнала вплоть до нуля, огромное — в закрытом, малые утечки и ёмкости, управление одним напряжением.

1234

Самый простой аналоговый ключ — один n-канальный МОП-транзистор в разрыве сигнальной цепи.

Что здесь что (4)

Входной сигнал. Может идти в любую сторону: ключ на ПТ двунаправленный.
$T_{1}$ — n-канальный МОП. Закрыт при заземлённом или отрицательном затворе ( $R_{выкл} > 10000$ МОм), открыт при +15 В ( $R_{вкл}$ 25–100 Ом).
Управление. Точный уровень не важен: подойдёт логика с внешним транзистором или ОУ (±13 В) — пробой затвора 20 В и выше.
Нагрузка 10 кОм. Разумные пределы — 1–100 кОм: компромисс между делителем с $R_{вкл}$ и просачиванием через ёмкость.

Один n-канальный транзистор

Простейший ключ — n-канальный обогащённый МОП-транзистор в разрыве цепи. Пока затвор на земле или ниже, канала нет, и сопротивление сток–исток $R_{выкл}$ обычно больше 10 000 МОм (на высоких частотах сигнал всё же немного просачивается через ёмкость сток–исток — к этому вернёмся). Подайте на затвор +15 В — канал откроется, и у транзисторов, сделанных для аналоговых ключей, $R_{вкл}$ составит 25–100 Ом. Сигнал при этом может идти в любую сторону: ключ на ПТ двунаправленный, как механический контакт.

Точное напряжение управления не важно, лишь бы его хватало для малого $R_{вкл}$ . Годится логический выход через внешний транзистор, дающий полный размах питания, и даже выход ОУ: ±13 В у 741 вполне подходят, ведь окисел затвора обычно выдерживает 20 В и больше. Отрицательный уровень от ОУ даже кстати — им можно надёжно запирать ключ при сигналах обеих полярностей.

25–100 Ом

R_{вкл}

> 10 000 МОм

R_{выкл}

1–100 кОмнагрузка ключа

Где граница? Сверху: положительный сигнал выше примерно +10 В «съедает» напряжение затвор–исток, и $R_{вкл}$ начинает расти. Снизу: отрицательный сигнал откроет транзистор даже при заземлённом затворе (истоком станет вывод на линии), а при подложке на земле ещё и откроет диод канал–подложка (раздел 3.1).

Правило. Чтобы коммутировать сигнал от −10 до +10 В, затвор переключают между −15 В (разомкнут) и +15 В (замкнут), а подложку подключают к −15 В.

Упражнение 3.3.1

Ключ на одном n-канальном МОП-транзисторе управляется уровнями 0 / +12 В, подложка соединена с землёй, порог 1,5 В, а для приемлемо малого $R_{вкл}$ нужно $U_{ЗИ} \geq 6$ В. В каком диапазоне сигналов такой ключ работает нормально?

Решение

Сверху: при затворе +12 В и сигнале $U$ нужно $12 - U \geq 6$ В, то есть $U \leq 6$ В (до ~10,5 В ключ ещё проводит, но $R_{вкл}$ быстро растёт). Снизу: при «выключенном» затворе (0 В) сигнал ниже −1,5 В даёт $U_{ЗИ} = 0 - U > 1, 5$ В — ключ открывается сам; к тому же с подложкой на земле откроется диод канал–подложка. Рабочий диапазон — примерно 0…+6 В. Для двуполярных сигналов нужны отрицательный уровень затвора и подложка на отрицательном питании.

У нагрузки ключа тоже есть разумные пределы — от 1 до 100 кОм. Чем она больше, тем сильнее сигнал просачивается через разомкнутый ключ по ёмкости. Чем меньше, тем заметнее делитель, который она образует с $R_{вкл}$ замкнутого ключа. А поскольку $R_{вкл}$ зависит от уровня сигнала (вместе с сигналом меняется $U_{ЗИ}$ ), ослабление становится разным для разных мгновенных значений — это нелинейные искажения.

Передача замкнутого ключа

K = \frac{R _{н}}{R _{н} + R _{вкл} ( U _{сигн} )}

Обозначения:

R_{н}

R_{вкл} (U_{сигн})

Раз

R_{вкл}

меняется вдоль сигнала, меняется и

K

— это нелинейность.

Упражнение 3.3.2

Коммутатор датчиков давления собран на n-канальных ключах: $R_{вкл}$ — 80 Ом при сигнале около нуля и 160 Ом при +4 В; нагрузка — вход усилителя 22 кОм. На сколько процентов ослабляется сигнал при 0 В и при +4 В? Чем это плохо?

при 0 В =%при +4 В =%

Решение

Делитель $R_{н} / (R_{н} + R_{вкл})$ : при 80 Ом передача $22 000/22 080 = 0, 99638$ , ослабление 0,36 %; при 160 Ом — $22 000/22 160 = 0, 99278$ , ослабление 0,72 %. Коэффициент передачи «плавает» вдоль сигнала примерно на 0,36 % — это нелинейность, для 12-разрядного АЦП уже заметная. Её уменьшают, повышая сопротивление нагрузки (растёт просачивание через ёмкость), выбирая ключ с малым и ровным $R_{вкл}$ или ставя ключ туда, где его $R_{вкл}$ не важен, — например, в цепь с ОУ (раздел 4.3).

Слишком низкоомная нагрузка вдобавок грузит источник сигнала. Способы борьбы — многозвенные ключи и компенсация $R_{вкл}$ в схемах с ОУ (о них ниже и в разделе 4.3). Очень удачен второй ключ, который замыкает выход на землю, пока последовательный разомкнут: получается переключатель на два положения.

Упражнение 3.3.3

Микроконтроллер переключает аналоговые каналы с датчиков 0…4,5 В через n-канальные ключи. Малое $R_{вкл}$ гарантировано при $U_{ЗИ} \geq 7$ В. Какое наименьшее напряжение «замкнуто» надо подавать на затвор?

U затвора =В

Решение

Тяжелее всего при наибольшем сигнале: истоком служит вывод с меньшим потенциалом, и он на +4,5 В. Нужно $U_{З} - 4, 5 \geq 7$ В, откуда $U_{З} \geq 11, 5$ В. Вот почему у простых n-канальных ключей на затвор подают +15 В, а сигнал ограничен уровнем примерно на 10 В ниже положительного питания.

КМОП-ключ: два транзистора параллельно

А если сигнал занимает почти весь диапазон питания? Одному n-канальному транзистору на пике сигнала просто не хватит напряжения на затворе. Выход — поставить рядом p-канальный транзистор, то есть сделать ключ на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП). Затвор p-канального управляется через инвертор — логический элемент, превращающий высокий уровень в низкий и наоборот (на схеме он изображён прямоугольником по ГОСТ).

12345

КМОП-ключ (передающий вентиль): n- и p-канальный транзисторы стоят параллельно и открываются вместе; на затвор p-канального управление подано через инвертор.

Что здесь что (5)

$T_{1}$ — n-канальный. Затвор на высоком уровне: хорошо проводит сигналы у земли, плохо — у $U_{CC}$ .
$T_{2}$ — p-канальный. Затвор на земле (через инвертор): хорошо проводит сигналы у $U_{CC}$ , плохо — у земли.
Инвертор. Подаёт на p-канальный затвор противоположный уровень — оба транзистора открываются и закрываются одновременно.
Управление. Высокий уровень — ключ замкнут, низкий — разомкнут.
Параллельное соединение. Где один транзистор слабеет, проводит другой — малое $R_{вкл}$ во всём диапазоне.

При высоком уровне управления открыты оба. n-канальный $T_{1}$ хорошо пропускает сигналы от земли и до уровня на несколько вольт ниже $U_{CC}$ ; выше его $R_{вкл}$ резко растёт. p-канальный $T_{2}$ с затвором на земле, наоборот, хорошо проводит у $U_{CC}$ и сдаёт у земли. Вместе — параллельно — они дают малое сопротивление во всём диапазоне от земли до $U_{CC}$ . При низком уровне управления заперты оба, цепь разорвана. Так устроен КМОП «передающий вентиль» 4066, и проводит он, разумеется, в обе стороны.

Расчёт для питания 15 В и |U_п| = 2 В: сопротивление n-канального транзистора растёт к верху диапазона сигнала, p-канального — к низу, а их параллельное соединение остаётся небольшим везде.

Модель: сопротивление КМОП-ключа в зависимости от сигнала и питания

Готовых КМОП-ключей выпускается множество, в разных конфигурациях — по несколько секций, по нескольку направлений. 4066 — классический «двунаправленный ключ» серии 4000 (так в этой серии называют аналоговый ключ для сигналов от земли до плюса питания). Удобны серии IH5040 и IH5140 (Intersil), DG305 и DG400 (Siliconix): управление уровнями ТТЛ, сигналы до ±15 В (у серии 4000 — только ±7,5 В), сравнительно малое $R_{вкл}$ (у некоторых около 25 Ом). Хорошие ключи делают также Analog Devices, Maxim и PMI.

Мультиплексоры

Логгер погоды опрашивает восемь датчиков, а АЦП у него один. Нужна схема, которая по цифровому адресу соединяет выход с одним из входов, — мультиплексор. Внутри это набор аналоговых КМОП-ключей и дешифратор, который по адресу «включает» ровно один из них. Входы опрашиваются по очереди, каждое значение оцифровывается и уходит в обработку — типичная система сбора данных.

1234

Мультиплексор на четыре входа: по двоичному адресу дешифратор замыкает ровно один ключ.

Что здесь что (4)

Аналоговые КМОП-ключи. По одному на вход; замкнут только выбранный.
Дешифратор. Превращает двоичный адрес в команду «включить» для одного ключа.
Адрес $A_{0} A_{1}$ . Два разряда — четыре входа; три разряда — 8, четыре — 16.
Общий выход. Можно и наоборот: подать сигнал сюда и снять с выбранного входа (демультиплексор).

Ключи двунаправленные, поэтому та же микросхема работает и демультиплексором: сигнал подают на общий вывод, а снимают с выбранного входа. Годится она и для цифровых сигналов — логические уровни ведь тоже напряжения (раздел 8.3).

Типичные аналоговые мультиплексоры

Микросхемы	Входов	Сигнал	Особенность
DG506–509, IH6108, IH6116	8 и 16	до ±15 В	адрес в уровнях ТТЛ и КМОП
4051–4053 (КМОП-логика)	до 8	до 15 В	вывод $U_{ИИ}$ : двуполярный сигнал при однополярном управлении

Среди типичных аналоговых мультиплексоров — DG506–509, IH6108 и IH6116 на 8 и 16 входов, с адресом в уровнях ТТЛ и КМОП и сигналами до ±15 В. Микросхемы 4051–4053 из семейства КМОП-логики — мультиплексоры-демультиплексоры до 8 входов с сигналом до 15 В; благодаря отдельному выводу $U_{ИИ}$ , сдвигающему внутренние уровни, они коммутируют двуполярные сигналы при однополярном логическом управлении.

Где ещё нужны аналоговые ключи

Больше всего ключей работает в схемах на ОУ: в интеграторах, выборке-хранении, пиковых детекторах. Пример — интегратор на ОУ, у которого выход при постоянном входе растёт линейно, а не по экспоненте, как у простой RC-цепочки (раздел 1.3). Такому интегратору нужна кнопка «сброс», и её роль играет ПТ-ключ, замыкающий интегрирующий конденсатор (раздел 4.6).

3.3.2Чем реальный ключ хуже идеального

≈ 21 мин7 упр.

Главное

$R_{вкл}$ (25–250 Ом) с ёмкостями — ФНЧ: полоса обычных ключей до ~10 МГц.
При низком питании у КМОП-ключа $R_{вкл}$ растёт в середине диапазона сигнала.
Ёмкости дают сквозное прохождение, спад АЧХ, перекрёстные помехи и выбросы заряда $Q = C_{ЗК} Δ U_{З}$ .
Сигнал за пределами питания открывает защитные диоды и может вызвать защёлкивание.

Пора честно перечислить, чем микросхемный ключ отличается от тумблера. Недостатков пять, и с каждым есть свои способы бороться.

Пять недостатков ПТ-ключей

R_{вкл}

от сигнала

Быстродействие

Ёмкости

Выбросы заряда

Защёлкивание

Сопротивление, которое зависит от сигнала

При высоком питании, скажем 15 В, КМОП-ключ имеет малое $R_{вкл}$ во всём диапазоне: какой бы ни был сигнал, один из двух транзисторов открыт напряжением не меньше половины питания. Начните понижать питание — и посредине диапазона (между питанием и землёй или между двумя питаниями) вырастет горб. Причина в пороге: у обогащённых ПТ он не меньше вольта-двух, а для малого $R_{вкл}$ нужно $U_{ЗИ}$ в 5–10 В. При достаточно низком $U_{CC}$ сигналы около $U_{CC} /2$ через ключ просто не проходят.

Тот же КМОП-ключ при всё меньшем питании (уровень сигнала отложен в долях питания): пик R_вкл в середине растёт, а когда U_пит < 2|U_п|, середина диапазона не проходит совсем.

Ловушка. Если

U_{CC} < 2∣ U_{п} ∣

, середина диапазона через КМОП-ключ не проходит вообще. Для низкого питания выбирайте ключи, рассчитанные именно на него (с малым порогом).

Разработчики микросхем сражаются с этим горбом давно. Первый ключ серии 4000, 4016, был в точности простой параллельной парой — и горб у него внушительный. В 4066 добавили транзисторы, которые заставляют подложку n-канального транзистора следовать за сигналом, и горб сгладился до пологого холмика. Более сложные ключи для ответственных применений (IH5140, AD7510) держат $R_{вкл}$ в несколько десятков ом почти постоянным во всём диапазоне. DG400 (Siliconix) даёт превосходные 20 Ом, расплачиваясь большим выбросом заряда при переключении (о нём ниже); у этого семейства, как и у IH5140, нулевой ток покоя.

а — 4016: простой КМОП-ключ, горб посередине

б — 4066: подложку n-канала тянет за собой сигнал

Ключ с двуполярным питанием (качественно, по типу IH5140): сопротивление в замкнутом состоянии — несколько десятков ом и почти не зависит от уровня сигнала любой полярности.

Как улучшали КМОП-ключи

4016Простая параллельная пара: высокий горб $R_{вкл}$ посередине диапазона.
4066Подложка n-канального транзистора следует за сигналом — горб сглажен.
IH5140, AD7510Сложные ключи: несколько десятков ом, почти постоянно.
DG400Превосходные 20 Ом — ценой большего выброса заряда; нулевой ток покоя, как у IH5140.

Быстродействие

$R_{вкл}$ реальных ключей — от 25 до 250 Ом. Вместе с ёмкостью подложки и монтажа оно образует фильтр нижних частот, и обычный ключ годится примерно до 10 МГц. Взять ключ с меньшим $R_{вкл}$ не помогает: у таких больше ёмкость (у некоторых мультиплексоров до 50 пФ), и выигрыша нет.

123

Замкнутый ключ глазами сигнала: последовательное R_вкл и ёмкость выхода на землю — готовый RC-фильтр нижних частот.

Что здесь что (3)

$R_{вкл}$ . Сопротивление замкнутого ключа, здесь 300 Ом.
$C_{вых}$ . Выходная ёмкость ключа (22 пФ); вместе с $R_{вкл}$ — ФНЧ с частотой среза около 24 МГц.
Выход. К ёмкости ключа добавляются ёмкости нагрузки и проводников.

Полоса замкнутого ключа

f_{- 3 дБ} = \frac{1}{2 π ( R _{и} + R _{вкл} ) C}

Обозначения:

R_{вкл}

R_{и}

C

Заметную часть полосы съедает защита входов — последовательные резисторы и диоды. Поэтому существуют «видео-» и радиочастотные ключи, частично от неё отказавшиеся:

IH5341 и IH5352 — полоса 100 МГц при обычном питании ±15 В;
быстрые мультиплексоры 74HC4051–53 — тоже до 100 МГц, но лишь для сигналов до ±5 В;
MAX453–455 — видеомультиплексор вместе с выходным усилителем для прямой работы на 75-омный кабель: полоса 50 МГц, сигналы ±1 В от низкоомных источников.

Упражнение 3.3.4

Видеосигнал с камеры переключается ключом с $R_{вкл} = 120$ Ом; собственная выходная ёмкость ключа 25 пФ, вход следующего каскада и проводники добавляют ещё 15 пФ. Источник низкоомный. Какова верхняя частота среза (−3 дБ)?

f =МГц

Решение

$f = 1/ (2 π R_{вкл} C) = 1/ (2 π \cdot 120 \cdot 40 \cdot 1 0^{- 12}) \approx 33$ МГц — для стандартного видео (около 5 МГц) с запасом. Если у источника есть своё сопротивление, оно складывается с $R_{вкл}$ , и полоса сужается.

Ёмкости

У каждого ключа есть ёмкость между входом и выходом ( $C_{СИ}$ ), ёмкости канала на землю ( $C_{С}$ , $C_{И}$ ), ёмкость затвор–канал и, если ключей на кристалле несколько, ёмкости между ними ( $C_{СС}$ , $C_{ИИ}$ ). Разберём, чем грозит каждая.

12345

Паразитные ёмкости двух соседних ключей одной микросхемы (порядок величин — как у 4-канального AD7510 с R_вкл = 75 Ом): через ключ C_СИ, на землю C_С и C_И, от канала к каналу C_СС и C_ИИ.

Что здесь что (5)

$C_{СИ}$ — вход — выход. Сквозное прохождение через разомкнутый ключ: +20 дБ на декаду частоты.
$C_{С}$ , $C_{И}$ — на землю. С $R_{вкл}$ и сопротивлением источника образуют ФНЧ — спад АЧХ.
Ключ. Ещё одна ёмкость — затвор — канал — даёт выбросы при переключении.
$C_{СС}$ — между каналами. Перекрёстные помехи: сигнал канала 1 наводится на канал 2.
$C_{ИИ}$ 0,5 пФ. Тоже между каналами — со стороны выходов.

Через разомкнутый ключ: $C_{СИ}$ . Разомкнутый ключ — это не разрыв, а маленький конденсатор, и с ростом частоты сигнал проходит через него всё лучше. В радиосхемах нагрузка обычно 50 Ом, и даже на ней просачивание заметно: на 30 МГц ёмкость 1 пФ имеет реактивное сопротивление около 5 кОм, что даёт −40 дБ. На такой нагрузке, правда, и замкнутый ключ ощутимо ослабляет и искажает сигнал — типичное $R_{вкл}$ 30 Ом (75 Ом в худшем случае). В низкочастотных схемах нагрузка 10 кОм и больше, и просачивание там гораздо сильнее.

Сквозное прохождение

\frac{U _{вых}}{U _{вх}} = \frac{R _{н}}{R _{н}^{2} + X _{C}^{2}}, X_{C} = \frac{1}{2 π f C _{СИ}}

Обозначения:

R_{н}

X_{C}

C_{СИ}

При

X_{C} ≫ R_{н}

передача

\approx R_{н} / X_{C}

— растёт пропорционально частоте.

Сколько сигнала просачивается через разомкнутый ключ с C_СИ ≈ 1 пФ на нагрузку 50 Ом: с ростом частоты в десять раз — на 20 дБ больше.

Упражнение 3.3.5

Входной коммутатор осциллографической приставки: разомкнутый ключ с $C_{СИ} = 0, 8$ пФ нагружен на 3,3 кОм. Насколько ослабляется (в децибелах) сигнал 5 МГц, просочившийся через ключ?

прохождение =дБ

Решение

Реактивное сопротивление $X = 1/ (2 π f C) = 1/ (2 π \cdot 5 \cdot 1 0^{6} \cdot 0, 8 \cdot 1 0^{- 12}) \approx 39, 8$ кОм. Передача делителя $R / R^{2} + X^{2} = 3, 3/ 3, 3^{2} + 39, 8^{2} \approx 0, 083$ , то есть $20 l g 0, 083 \approx - 21, 7$ дБ: «выключенный» канал пропускает почти десятую часть сигнала. На высокой частоте и при высокоомной нагрузке разомкнутый ключ почти прозрачен.

На низких частотах это обычно не мешает. Если мешает, есть два средства. Можно поставить два ключа подряд: ослабление в децибелах удвоится ценой второго $R_{вкл}$ в цепи. А лучше — пара «последовательный + шунтирующий», переключаемая попеременно: пока последовательный ключ разомкнут, шунтирующий замыкает его выход на землю, и то, что просочилось через $C_{СИ}$ , падает уже не на нагрузку, а на крошечное $R_{вкл}$ шунта.

Два разомкнутых ключа подряд: каждый ослабляет просочившийся сигнал, и децибелы складываются.

123

Пара «последовательный + шунтирующий»: когда сигнал не нужен, последовательный ключ разомкнут, а шунтирующий замыкает его выход на землю через малое R_вкл.

Что здесь что (3)

Последовательный ключ. Пропускает сигнал, когда замкнут.
Шунтирующий ключ. Замыкается, когда последовательный разомкнут: просочившееся через $C_{СИ}$ уходит в его $R_{вкл}$ .
Инвертор. Ключи переключаются по очереди — получается переключатель на два положения.

Упражнение 3.3.6

Ту же приставку (0,8 пФ, 3,3 кОм, 5 МГц) переделали: к выходу последовательного ключа добавили шунтирующий ключ с $R_{вкл} = 25$ Ом, замкнутый, пока канал выключен. Каким стало просачивание?

прохождение =дБ

Решение

Теперь нагрузка ёмкости $C_{СИ}$ — это $25 Ом ∥ 3, 3 кОм \approx 24, 8$ Ом. Передача $24, 8/39 800 \approx 6, 2 \cdot 1 0^{- 4}$ , то есть около −64 дБ — на 42 дБ лучше, чем с одним ключом, и заметно лучше, чем два последовательных ключа (около −43 дБ).

Как бороться со сквозным прохождением

	Один ключ	Два подряд	Последовательный + шунт
Просачивание (0,8 пФ, 3,3 кОм, 5 МГц)	≈ −22 дБ	≈ −43 дБ	≈ −64 дБ
Плата	—	лишнее $R_{вкл}$	второй ключ и инвертор управления
Нагрузка разомкнутого ключа	$R_{н}$	$R_{н}$ (дважды)	$R_{вкл}$ шунта ≈ 25 Ом

Модель: сквозное прохождение через разомкнутый ключ

Переключатели «на два положения» с гарантией «сначала разомкнуть, потом замкнуть» продаются готовыми, по одному или по два в корпусе (DG188 и IH5142; сдвоенные DG191, IH5143, AD7512), и с ними легко получить отличные параметры. Видео- и радиочастотные ключи, упомянутые выше, содержат такую последовательно-параллельную схему внутри.

На землю: $C_{С}$ и $C_{И}$ . Эти ёмкости вместе с сопротивлением источника и $R_{вкл}$ образуют фильтр нижних частот. Хуже всего с высокоомным источником, но даже при идеальном источнике $R_{вкл}$ вместе с выходной ёмкостью ограничивает полосу.

Упражнение 3.3.7

Ключ с ёмкостями на землю $C_{С} = C_{И} = 15$ пФ и $R_{вкл} = 60$ Ом подключает датчик с внутренним сопротивлением 10 кОм к входу 100 кОм. Оцените верхнюю частоту среза (−3 дБ). Какой она была бы при источнике с нулевым внутренним сопротивлением?

f₁ =кГцf₂ =МГц

Решение

Источник высокоомный, $R_{вкл}$ на его фоне мало, и обе ёмкости фактически соединены параллельно: 30 пФ. Заряжает их эквивалентный источник с сопротивлением $(R_{и} + R_{вкл}) ∥ R_{н} = 10, 06 ∥ 100 \approx 9, 14$ кОм: $f = 1/ (2 π \cdot 9, 14 \cdot 1 0^{3} \cdot 30 \cdot 1 0^{- 12}) \approx 580$ кГц (точный расчёт двухзвенной цепи даёт около 583 кГц).

При идеальном источнике входная ёмкость закорочена, остаются $R_{вкл} ∥ R_{н} \approx 60$ Ом и выходные 15 пФ: $f = 1/ (2 π \cdot 60 \cdot 15 \cdot 1 0^{- 12}) \approx 177$ МГц. Полосу ограничивает прежде всего источник, а не ключ.

Между каналами: $C_{СС}$ и $C_{ИИ}$ . Несколько ключей на кристалле размером с рисовое зерно неизбежно «слышат» друг друга — это перекрёстные помехи. Виновата ёмкость между каналами, и вред растёт с частотой и с сопротивлением цепей, к которым подключены каналы.

Упражнение 3.3.8

В двухканальном ключе ёмкости между каналами $C_{СС} = C_{ИИ} = 2$ пФ. Оба канала подключены к источникам с сопротивлением 10 кОм и нагружены на 20 кОм, $R_{вкл} = 50$ Ом. На входе канала А — сигнал $U$ частотой 300 кГц, источник канала Б молчит. Найдите наводку на нагрузке канала Б (в децибелах относительно $U$ ), если: б) А замкнут, Б разомкнут; в) А разомкнут, Б замкнут; г) оба замкнуты. Что можно сказать о случае а) — оба разомкнуты?

б =дБв =дБг =дБ

Решение

Реактивное сопротивление 2 пФ на 300 кГц $X \approx 265$ кОм. Наводка равна $U_{А} Z / Z^{2} + X^{2}$ , где $U_{А}$ — напряжение на «излучающем» узле канала А, а $Z$ — сопротивление на землю того узла канала Б, через который наводка попадает в нагрузку.

б) А замкнут: на его выходной стороне $U_{А} = U \cdot 20/ (10 + 0, 05 + 20) \approx 0, 666 U$ . Б разомкнут, его выходной узел — это только нагрузка 20 кОм. Через $C_{ИИ}$ : $0, 666 \cdot 20/ 2 0^{2} + 26 5^{2} \approx 0, 050$ , то есть около −26 дБ.

в) А разомкнут: на его входном узле (без нагрузки) весь сигнал $U$ , выходной узел почти без сигнала. Б замкнут, его вход и выход соединены, сопротивление узла $10 ∥ 20 \approx 6, 67$ кОм. Через $C_{СС}$ : $6, 67/ 6, 6 7^{2} + 26 5^{2} \approx 0, 025$ , около −32 дБ.

г) Оба замкнуты: узлы А несут $0, 666 U$ , узел Б — 6,67 кОм, а связывают их обе ёмкости параллельно (4 пФ, $X \approx 133$ кОм): $0, 666 \cdot 6, 67/ 6, 6 7^{2} + 13 3^{2} \approx 0, 033$ , около −29,5 дБ.

а) Оба разомкнуты: сигнал есть лишь на входном узле А, а с выходом Б он связан цепочкой из двух малых ёмкостей — наводка ничтожна по сравнению с остальными случаями. Даже лучший из «рабочих» случаев даёт лишь −30 дБ: для широкополосных схем это неприемлемо.

Совет. В широкополосных схемах используйте низкоомные источники (обычно 50 Ом). Если перекрёстные помехи критичны, не пускайте через один кристалл больше одного важного сигнала.

Выбросы при переключении

Самая неприятная особенность ключей проявляется в момент переключения. Скачок напряжения на затворе через ёмкость затвор–канал $C_{ЗК}$ проталкивает в сигнальную цепь порцию заряда, и на выходе появляется иголка — даже если вход заземлён. Сильнее всего это заметно там, где сопротивление ключа велико. В мультиплексорах (вроде 4066) к этому добавляется ещё одна беда при смене адреса: если ключ выключается дольше, чем включается следующий, входы на мгновение соединяются друг с другом.

Что видно на выходе n-канального ключа, когда вход заземлён (нагрузка 10 кОм || 20 пФ): короткие иголки на каждом фронте управления — заряд, пропихнутый через ёмкость затвор–канал.

Иголки на осциллограмме — выход n-канального ключа с заземлённым входом и вполне реальной нагрузкой 10 кОм параллельно 20 пФ при скачке затвора от +15 до −15 В и обратно. Заряд в такой иголке определяется только полным перепадом на затворе:

Перенос заряда при переключении

Q = C_{ЗК} (U_{З выс} - U_{З низ}), C_{ЗК} \approx 5 пФ

Обозначения:

Q

C_{ЗК}

U_{З выс} - U_{З низ}

Скачок на нагрузочной ёмкости

Δ U = Q / C

: 30 пКл на 0,01 мкФ — 3 мВ.

Важное следствие: от скорости переключения заряд не зависит. Если затянуть фронт на затворе, иголка станет ниже, но шире — площадь та же. Фильтр нижних частот на выходе ключа делает то же самое. Это выручает, когда важна пиковая амплитуда, но сам перенос заряда никуда не девается. Для масштаба: 30 пКл на конденсаторе 0,01 мкФ — это скачок 3 мВ; конденсатор для фильтра немаленький, а 3 мВ для слабого аналогового сигнала — серьёзная ошибка.

Затвор связан ёмкостью не с одной точкой, а со всем каналом от истока до стока, поэтому часть заряда уходит назад, во вход ключа, и величина иголки на выходе зависит от сопротивления источника: меньше всего она, когда ключ питается от источника напряжения.

Как уменьшить выбросы

Мера	Что даёт	Чем платим
Медленный фронт на затворе / ФНЧ на выходе	меньше пиковая амплитуда	помеха длиннее, заряд тот же
Противофазный сигнал затвора через подстроечный конденсатор	гасит выбросы	нужна точно известная $C_{ЗК}$
Источник напряжения на входе ключа	часть заряда уходит во вход	—
Меньшее сопротивление нагрузки	меньше помеха	нагрузка источника, погрешность и нелинейность из-за $R_{вкл}$
Ключ с меньшей $C_{ЗК}$	меньше помеха	больше $R_{вкл}$
Сбалансированный КМОП-ключ	заряды n- и p-транзисторов гасятся	—

Иногда $C_{ЗК}$ известна настолько точно, что выброс удаётся погасить, подав на выход противофазный сигнал управления через маленький подстроечный конденсатор. Хорошо сбалансированные КМОП-ключи делают это сами: на затворе одного транзистора напряжение растёт, на затворе другого падает, и их заряды частично взаимно уничтожаются. У ключей на ПТ с p-n-переходом, наоборот, перепад на затворе (от −15 В до уровня сигнала) зависит от сигнала, и выброс меняется вместе с ним.

Порция заряда, которую ключ выталкивает в сигнальную цепь при переключении, в зависимости от уровня сигнала (качественно, для нескольких типов ключей). У ключа на ПТ с p-n-переходом перепад на затворе и заряд растут с уровнем сигнала; в КМОП-ключах вклады n- и p-транзисторов отчасти взаимно гасятся.

Упражнение 3.3.9

Звуковой оцифровщик: ключ выборки-хранения с ёмкостью затвор–канал 4 пФ, затвор переключается с +10 В на 0, хранящий конденсатор 10 нФ. Какой заряд будет вытолкнут (считайте, что весь он уходит на конденсатор) и какой скачок он даст?

Q =пКлΔU =мВ

Решение

$Q = C_{ЗК} Δ U_{З} = 4 пФ \cdot 10 В = 40$ пКл; $Δ U = Q / C = 40 \cdot 1 0^{- 12} /1 0^{- 8} = 4$ мВ — больше единицы младшего разряда 12-разрядного АЦП на шкале 5 В (1,2 мВ). На деле часть заряда уйдёт во вход, но порядок ошибки тот же. Уменьшают её большей ёмкостью хранения (ценой скорости слежения), ключом с компенсацией заряда или меньшим перепадом на затворе.

Защёлкивание и защита входов

Каждый вывод КМОП-микросхемы защищён — иначе окисел затвора не пережил бы первого прикосновения (в конце этого раздела — подробнее о статике). Внутри это распределённая диодная структура, но по сути — диоды на $U_{CC}$ и $U_{ИИ}$ и последовательный резистор.

1234

Типовая защита вывода КМОП-микросхемы: диоды на обе шины питания и последовательный резистор, ограничивающий ток (на выходах его часто нет).

Что здесь что (4)

Токоограничивающий резистор. Ограничивает ток через диоды; на выходе его часто не ставят.
Диод на $+ U_{CC}$ . Открывается, когда вход выше питания больше чем на ~0,6 В.
Диод на $- U_{ИИ}$ . Открывается, когда вход ниже отрицательного питания.
КМОП-схема. Ток через защиту порядка 20 мА и больше запускает защёлкивание.

Пока сигнал в пределах питания, защита не видна. Стоит ему выйти за шину больше чем на падение на диоде — диод открывается, и вход низкоомно соединяется с шиной. Хуже того, ток через защиту (порядка 20 мА и больше) может перевести микросхему в защёлкивание: внутри КМОП-структуры включается паразитный тиристор и замыкает питание накоротко. Это состояние разрушительно, и подробнее о нём — в разговоре о сопряжении логики (раздел 9.1); пока достаточно знать, что его нельзя допускать.

Ловушка. Напряжение на аналоговом входе не должно выходить за напряжение питания; в частности, питание должно появляться раньше любого сигнала, способного дать заметный ток. Это верно и для цифровых КМОП-микросхем.

Упражнение 3.3.10

Аналоговый вход КМОП-мультиплексора с питанием ±12 В соединён с разъёмом, на который при ошибке монтажа в автомобиле может попасть до ±48 В. Какой наименьший последовательный резистор ограничит ток через защитный диод значением 5 мА (падение на диоде 0,6 В)? Какой будет ток, если в этот момент питание выключено?

R =кОм

Решение

При +48 В открывается диод на +12 В, и на резисторе остаётся $48 - 12 - 0, 6 = 35, 4$ В; $R \geq 35, 4/0, 005 = 7, 08$ кОм (ближайший больший стандартный — 7,5 кОм). Если питание выключено (0 В), на резисторе 47,4 В и ток около 6,7 мА — всё ещё далеко от 20 мА, при которых грозит защёлкивание. Цена такого резистора — добавка к $R_{вкл}$ и тепловой шум, это надо учитывать.

У защиты есть и обратная сторона: резисторы и диоды увеличивают $R_{вкл}$ , шунтирующую ёмкость и утечку. Аккуратная технология кристалла (диэлектрическая изоляция) позволяет избежать защёлкивания без таких потерь. Некоторые современные ключи «защищены от дурака»: мультиплексоры IH5108 и IH5116 (Intersil) выдерживают на входах до ±25 В даже без питания, правда, их $R_{вкл}$ вчетверо больше, чем у обычных IH6108/16. Но рассчитывать на это у любого ключа нельзя — многие ничего подобного не прощают. Есть и ключи на ПТ с p-n-переходом: кое в чём они лучше КМОП — например, ключи PMI имеют $R_{вкл}$ , совершенно не зависящее от сигнала, вообще не защёлкиваются и мало боятся статики.

Что ещё смотреть в паспорте

В зависимости от задачи могут оказаться важны:

время переключения и время установления;
задержка «размыкание раньше замыкания»;
утечка канала в замкнутом и разомкнутом состоянии (раздел 4.4);
разброс $R_{вкл}$ между каналами и его температурный коэффициент;
допустимые диапазоны сигнала и питания.

Остановимся на этом: остальное проще выяснять, когда понадобится в конкретной задаче.

3.3.3Ключи в деле: четыре схемы

≈ 10 мин5 упр.

Главное

Ключи выбирают резисторы: фильтр с переключаемой частотой среза, усилитель с переключаемым усилением.
Выборка-хранение: ключ + конденсатор + повторитель с ПТ-входом, который не разряжает конденсатор.
«Летающий» конденсатор: заряжаем от $U_{вх}$ , переворачиваем на выход — получаем $- U_{вх}$ (преобразователь 7662).

Больше всего ключей работает вместе с ОУ (раздел 4.3), но и без ОУ им найдётся дело. Четыре примера показывают типичные приёмы.

Выборка-хранение

АЦП последовательного приближения тратит на преобразование заметное время, и всё это время напряжение на его входе не должно меняться. Схема выборки-хранения «замораживает» мгновенное значение сигнала. Устроена она из ключа, маленького конденсатора и двух повторителей.

12345

Выборка-хранение: ключ, конденсатор и два буфера; выходной буфер — только со входом на ПТ.

Что здесь что (5)

Входной повторитель. Отдаёт ток $C d U / d t$ на перезаряд конденсатора — и не должен упираться в предел скорости нарастания.
Ключ. Замкнут — слежение, разомкнут — хранение. Его утечка и выброс заряда — источники ошибки.
Конденсатор 0,01 мкФ. Хранит напряжение; «сползание» $d U / d t = I_{ут} / C$ .
Выходной повторитель с ПТ-входом. Ничтожный входной ток не разряжает конденсатор.
Управление. Высокий уровень — слежение, низкий — хранение.

Цикл выборки-хранения

СлежениеКлюч замкнут: входной повторитель гонит низкоомную копию сигнала на маленький конденсатор.
ВыборкаВ нужный момент ключ размыкают — напряжение на конденсаторе «замирает».
ХранениеВыходной повторитель, обязательно со входом на ПТ, почти не берёт тока и не разряжает конденсатор.
Снова слежениеКлюч замыкается, и конденсатор опять следует за сигналом.

Упражнение 3.3.11

Оцифровщик ультразвукового сигнала: конденсатор выборки-хранения 1 нФ должен успевать за синусоидой 100 кГц с амплитудой 1 В. Какой пиковый ток должен отдавать входной повторитель?

I пик =мА

Решение

$i = C d U / d t$ , а у $U = A sin ω t$ наибольшая скорость $ω A$ . Пиковый ток $I = 2 π \cdot 1 0^{5} \cdot 1 0^{- 9} \cdot 1 \approx 0, 63$ мА. Добавьте ток на перезаряд ёмкостей самого ключа — и убедитесь, что повторитель отдаёт его, не упираясь в ограничение скорости нарастания.

Упражнение 3.3.12

В режиме хранения конденсатор 4,7 нФ разряжается утечкой ключа 30 пА и входным током выходного повторителя 10 пА. С какой скоростью «сползает» хранимое напряжение? Сколько это за время преобразования 20 мкс? А если бы выходной повторитель был биполярным с входным током 50 нА?

dU/dt =мВ/с

Решение

$d U / d t = I / C = 40 \cdot 1 0^{- 12} / (4, 7 \cdot 1 0^{- 9}) \approx 8, 5 \cdot 1 0^{- 3}$ В/с, то есть 8,5 мВ/с. За 20 мкс — около 0,17 мкВ, пренебрежимо. С биполярным повторителем скорость была бы $50 \cdot 1 0^{- 9} /4, 7 \cdot 1 0^{- 9} \approx 10, 6$ В/с — 0,21 мВ за то же время, уже сравнимо с младшим разрядом. Вот почему на выходе нужен ПТ.

Фильтр с переключаемой частотой среза

Регистратор звука должен перед оцифровкой срезать всё выше половины частоты дискретизации, а частота дискретизации выбирается программно. Нужен фильтр нижних частот, частоту среза которого выбирает микроконтроллер. Простейший вариант — RC-фильтр, где мультиплексор по двухразрядному адресу подключает к конденсатору один из четырёх резисторов.

1234

Фильтр нижних частот, частоту среза которого выбирает микроконтроллер: мультиплексор подключает к конденсатору один из четырёх резисторов.

Что здесь что (4)

4-канальный мультиплексор. Замыкает один из четырёх ключей по 2-разрядному адресу; стоит на входе, и выброс заряда попадает в низкоомную точку.
Резисторы $R_{1}$ … $R_{4}$ . Каждый вместе с $C$ задаёт свою частоту среза $f = 1/ (2 π RC)$ .
Конденсатор C. Общий для всех положений. Переключать можно и конденсаторы, но тогда $R_{вкл}$ ограничит подавление.
Повторитель. Выходное сопротивление фильтра велико — нужен буфер, если следующий каскад не высокоомный.

Почему ключи стоят перед резисторами, а не после? Потому что так выброс заряда при переключении попадает в точку с малым сопротивлением источника и меньше портит сигнал. Можно было бы переключать конденсаторы — диапазон постоянных времени получился бы огромным, — но тогда конечное $R_{вкл}$ ограничит подавление фильтра на высоких частотах примерно величиной $R_{вкл} / R$ . Повторитель на выходе нужен потому, что выходное сопротивление фильтра велико; если следующий каскад и так высокоомный, его можно не ставить. Как сделать повторитель без смещения $U_{БЭ}$ и с точным единичным усилением — в разделе 4.2.

Если вместо мультиплексора взять четыре независимых ключа, а резисторы выбрать в отношении 1 : 2 : 4 : 8, комбинации замкнутых ключей дадут 15 частот среза с равным шагом (шестнадцатая комбинация — все разомкнуты).

Четыре независимых ключа и резисторы с весами 1 : 2 : 4 : 8 — пятнадцать частот среза с равным шагом.

Упражнение 3.3.13

В регистраторе звука стоит фильтр с четырьмя независимыми ключами, как на схеме выше: 15, 30, 60 и 120 кОм, конденсатор 4,7 нФ. Какие частоты среза (−3 дБ) он даёт? Найдите наименьшую, наибольшую и шаг.

f мин =Гцf макс =Гц

Решение

Замкнутые ключи соединяют резисторы параллельно, проводимости складываются: $G = n / (120 кОм)$ , где $n = 1 \dots 15$ — двоичное число, составленное из состояний ключей (120 кОм — вес 1, 60 — 2, 30 — 4, 15 — 8). Частота $f = G / (2 π C) = n / (2 π \cdot 120 \cdot 1 0^{3} \cdot 4, 7 \cdot 1 0^{- 9}) \approx n \cdot 282$ Гц: от 282 Гц до 4,23 кГц с шагом 282 Гц. $R_{вкл}$ ключей (десятки ом) на фоне 15 кОм не сказывается.

Усиление по команде

Тем же приёмом можно переключать усиление. Обычно это делают в схемах на ОУ, но подойдёт и каскад с эмиттерной обратной связью. Его эмиттер по постоянному току нагружен источником тока, как в регулируемом каскаде из раздела 3.2, — поэтому усиление можно сделать и много меньше единицы. Мультиплексор выбирает, какой из четырёх резисторов подключён к эмиттеру по сигналу, а разделительный конденсатор делает ток покоя независимым от выбранного усиления.

Предусилитель с шагами усиления ×0,1, ×1, ×10 и ×100: ключи внизу выбирают, какой резистор подключён к эмиттеру по сигналу (* — подбирают так, чтобы R_вкл + r_э + R = 47 Ом).

Усиление при выбранном резисторе

K = \frac{R _{К}}{r _{э} + R _{вкл} + R}

Обозначения:

R_{К}

r_{э}

R_{вкл}

R

На больших усилениях

r_{э}

R_{вкл}

сравнимы с

R

— резистор подбирают.

Упражнение 3.3.14

В предусилителе с переключаемым усилением коллекторный резистор 4,7 кОм, ток эмиттера 2 мА, $R_{вкл}$ мультиплексора 12,5 Ом. Каким должен быть эмиттерный резистор для усиления 100? Для усиления 10?

R (K=100) =ОмR (K=10) =Ом

Решение

$K = R_{К} / (r_{э} + R_{вкл} + R)$ , где $r_{э} = 25/2 = 12, 5$ Ом. Для $K = 100$ сумма должна быть 47 Ом: $R = 47 - 12, 5 - 12, 5 = 22$ Ом. Для $K = 10$ — 470 Ом, $R = 445$ Ом (с резистором 470 Ом получится $K \approx 9, 5$ ). На больших усилениях $r_{э}$ и $R_{вкл}$ сравнимы с самим резистором, а оба «плавают» с температурой и сигналом, — поэтому резистор для наибольшего усиления подбирают.

Минус из плюса: «летающий» конденсатор

Устройству с одной батареей понадобилось отрицательное напряжение для ОУ. Катушки не нужны — хватит четырёх ключей и двух конденсаторов. В первом такте левая пара ключей подключает $C_{1}$ к входу, и он заряжается до $U_{вх}$ ; правая пара в это время разомкнута. Во втором такте левые размыкаются, правые замыкаются, и $C_{1}$ подключается к выходному $C_{2}$ «вверх ногами»: плюсом на землю. Часть заряда перетекает в $C_{2}$ , и на выходе устанавливается отрицательное напряжение.

1234

Получение отрицательного напряжения без катушек: C₁ по очереди подключается то к входу (левые ключи), то — перевёрнутым — к накопительному C₂ (правые ключи).

Что здесь что (4)

Левые ключи. Замкнуты в первом такте: подключают $C_{1}$ к входу и к земле.
Правые ключи. Замкнуты во втором такте: верх $C_{1}$ — на землю, низ — на выход.
$C_{1}$ — «летающий». Заряжается до $U_{вх}$ и переворачивается.
$C_{2}$ — выходной. Копит заряд и держит $- U_{вх}$ между тактами.

Первый такт:

C_{1}

заряжается от входа до

U_{вх}

Готовая микросхема такого преобразователя — 7662 (раздел 6.6). Блок, обозначенный на схеме как инвертор, превращает высокий логический уровень в низкий и наоборот; как он устроен — в следующем пункте.

Потери преобразователя

∣ U_{вых} ∣ \approx U_{вх} - \frac{I _{н}}{f C _{1}}, R_{вых} \approx \frac{1}{f C _{1}}

Обозначения:

I_{н}

f

C_{1}

Плюс сопротивления ключей; например, 20 кГц и 4,7 мкФ — около 10,6 Ом.

Упражнение 3.3.15

Инвертор на «летающем» конденсаторе получает −5 В для ОУ из +5 В: частота переключения 20 кГц, $C_{1} = 4, 7$ мкФ, $C_{2}$ большой, ключи идеальные. Нагрузка потребляет 15 мА. Насколько выходное напряжение по модулю меньше входного и каково выходное сопротивление?

ΔU =В

Решение

За период $C_{1}$ должен перенести заряд $Q = I / f = 15 \cdot 1 0^{- 3} / (2 \cdot 1 0^{4}) = 0, 75$ мкКл. Для этого между $C_{1}$ (заряженным до $U_{вх}$ ) и выходом нужна разность $Δ U = Q / C_{1} = 0, 75 \cdot 1 0^{- 6} / (4, 7 \cdot 1 0^{- 6}) \approx 0, 16$ В. Схема ведёт себя как источник с выходным сопротивлением $1/ (f C_{1}) \approx 10, 6$ Ом (плюс сопротивления ключей): на выходе около −4,84 В.

3.3.4Логические ключи: от инвертора к КМОП-вентилям

≈ 17 мин9 упр.

Главное

КМОП-инвертор — два комплементарных ключа последовательно: нет тока покоя, выход — точно шины питания.
И-НЕ: n-канальные последовательно, p-канальные параллельно; ИЛИ-НЕ — наоборот. Простой КМОП-каскад всегда инвертирует.
Потребление КМОП растёт с частотой: $P = C U^{2} f$ плюс сквозной ток при переходе.
Инвертор, смещённый в середину характеристики, — грубый, но дешёвый линейный усилитель.

До сих пор ПТ стоял в разрыве сигнальной цепи и решал, пропустить сигнал или нет. У ключа есть ещё две профессии, и полезно сразу их различать.

Три профессии ключа

	Аналоговый ключ	Логический ключ	Мощный переключатель
Что делает ПТ	стоит последовательно с сигналом: пропускает его или нет	соединяет выход то с одной шиной питания, то с другой	подаёт и снимает питание нагрузки
Сигнал	непрерывный, обычно слабый и маломощный	цифровой: «высокий» или «низкий», промежуточные уровни недопустимы	большие напряжения и токи
Пример	мультиплексор, выборка-хранение	КМОП-инвертор, И-НЕ	лампа, реле, вентилятор, мотор

В логике ключи перебрасывают выход между двумя шинами питания, и «сигналы» скачком переходят из одного состояния в другое; промежуточный уровень бесполезен и даже вреден — в цифровом мире он попросту «незаконен». Силовой ключ, в свою очередь, включает и выключает нагрузку — лампу, обмотку реле, вентилятор, — и тут уже важны большие токи и напряжения. Начнём с логики.

Инвертор из одного транзистора

Самый простой логический элемент — МОП-транзистор с резистором в стоке. Высокий уровень на входе открывает n-канальный транзистор, и выход прижимается к земле; низкий — закрывает его, и резистор поднимает выход до питания. p-канальный вариант работает зеркально. Это инвертор: на выходе всегда противоположный уровень.

а — n-канальный

б — p-канальный

Инвертор из одного МОП-транзистора и резистора — в n- и p-канальном исполнении.

Заметьте: транзистор здесь включён с общим истоком, это не повторитель. В логике нас интересует, какое напряжение (логический уровень) окажется на выходе при данном входе, а резистор — просто пассивная нагрузка, которая даёт на выходе питание, пока ПТ закрыт. Если поставить вместо резистора лампу, обмотку реле или мотор, получится силовой ключ из начала главы — та же схема, но теперь нам важно не выходное напряжение, а то, что нагрузка включилась.

У такого инвертора два изъяна. В одном состоянии он постоянно потребляет ток через резистор. В другом у него высокое выходное сопротивление — сопротивление того же резистора. Уменьшишь резистор — вырастет потребление. А высокоомный выход плох всегда (если он не источник тока): даже лёгкая нагрузка вроде затвора следующего транзистора ловит ёмкостные наводки, а паразитная ёмкость затягивает фронт «выключено» в длинный хвост. Вот что получается с компромиссным резистором 10 кОм:

n-канальный инвертор с резистором 10 кОм, нагруженный на 20 пФ: спад выхода короткий (ёмкость разряжает открытый транзистор), а нарастание затянуто (заряжает резистор).

Упражнение 3.3.16

Линия «открытый сток» с подтягивающим резистором 4,7 кОм к +3,3 В нагружена ёмкостью 33 пФ (провод и входы трёх микросхем). Каково время нарастания сигнала (10–90 %)? Какую мощность тратит резистор, пока транзистор держит линию в низком состоянии?

t нар =нсP =мВт

Решение

Фронт нарастает через резистор: $τ = RC = 4700 \cdot 33 \cdot 1 0^{- 12} \approx 155$ нс, время 10–90 % $= 2, 2 τ \approx 341$ нс. Спад идёт через открытый транзистор с $R_{вкл}$ порядка десятков ом — в сотню раз быстрее. В низком состоянии через резистор течёт $3, 3/4700 \approx 0, 7$ мА, мощность $3, 3^{2} /4700 \approx 2, 3$ мВт — на каждый такой выход. Для одной линии это пустяк, для миллиона вентилей в микросхеме — катастрофа; отсюда двухтактная КМОП-схема.

КМОП-инвертор

Ситуация знакома по однотактному эмиттерному повторителю (раздел 2.2): там ток покоя и нагрузочная способность тоже спорили между собой, и выручила двухтактная схема. На МОП-ключах она получается особенно изящной: резистор заменяют вторым, p-канальным транзистором.

1234

КМОП-инвертор: p-канальный ключ к питанию и n-канальный к земле, всегда открыт ровно один.

Что здесь что (4)

p-канальный (верхний). Исток на $+ U_{CC}$ . Открыт при низком входе — подтягивает выход к питанию.
n-канальный (нижний). Исток на земле. Открыт при высоком входе — прижимает выход к земле.
Вход — оба затвора. Ток затвора не течёт ни при каком уровне от 0 до $U_{CC}$ .
Выход — оба стока. Низкое выходное сопротивление в обоих состояниях, в покое тока нет.

Земля на входе запирает нижний транзистор и открывает верхний — выход на питании. $+ U_{CC}$ на входе делает наоборот — выход на земле. В любом из двух состояний один транзистор открыт, другой заперт, поэтому выходное сопротивление низкое всегда, а ток покоя отсутствует вовсе. Это КМОП-инвертор — основа всей цифровой КМОП-логики, которая давно господствует в больших микросхемах и вытеснила более ранние биполярные семейства (ТТЛ).

Совет. Не путайте два КМОП-узла: инвертор — это пара комплементарных ключей последовательно, открываемых по очереди, а аналоговый КМОП-ключ — пара параллельно, открываемая одновременно.

Упражнение 3.3.17 задача

Изобретатель предлагает «биполярный КМОП»: p-n-p-транзистор сверху (эмиттер на $+ U_{CC}$ ), n-p-n снизу (эмиттер на земле), базы соединены и служат входом, коллекторы соединены и служат выходом — точная копия КМОП-инвертора. Нарисуйте схему и объясните, почему она работать не будет. Чем отличаются двухтактные биполярные выходные каскады, которые работают?

Решение

Входная цепь такой схемы — два прямо включённых перехода база–эмиттер: от $+ U_{CC}$ через переход p-n-p к входу и от входа через переход n-p-n к земле.

При входе 0 В переход p-n-p оказывается под полным напряжением питания в прямом направлении: источник сигнала через диод закорочен на $+ U_{CC}$ — огромный ток базы, гибель транзистора или источника. При входе $+ U_{CC}$ то же самое с n-p-n. А на промежуточных уровнях при $U_{CC} > 1, 2$ В открыты оба перехода, и от питания на землю через две базы течёт ничем не ограниченный ток. Корень беды в том, что вход биполярного транзистора «пришпилен» диодом к эмиттеру: напряжение на базе нельзя гонять по всему диапазону питания. Работоспособной схему делают резисторы в базах (но тогда она медленная и прожорливая). В двухтактных биполярных каскадах проблему обходят иначе: транзисторы включены повторителями, и база следует за выходом. У МОП-транзистора затвор изолирован, ток в него не течёт при любом уровне от 0 до $U_{CC}$ , и каскад с общим истоком работает.

Цифровым КМОП-схемам посвящены главы о логике (раздел 8.2 и далее). Пока отметим главное: это логика с нулевым потреблением в покое, высоким входным сопротивлением и выходными уровнями, жёстко привязанными к шинам питания.

Вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ

Добавив по транзистору в каждое плечо, получим вентиль с двумя входами. Если n-канальные транзисторы $T_{1}$ и $T_{2}$ поставить последовательно между выходом и землёй, а p-канальные $T_{3}$ и $T_{4}$ — параллельно между питанием и выходом, то выход окажется на земле только тогда, когда открыты оба нижних, то есть оба входа высокие. Если хотя бы один вход низкий, его p-канальный транзистор подтягивает выход к питанию, а нижняя цепочка разорвана. Ток покоя нет ни в одном состоянии. Это вентиль И-НЕ: функция И, взятая с инверсией.

Таблица истинности И-НЕ и состояния транзисторов
A	B	$T_{1}$ , $T_{2}$ (n, последовательно)	$T_{3}$ , $T_{4}$ (p, параллельно)	Q
0	0	оба закрыты	оба открыты	1
0	1	$T_{1}$ закрыт — цепь разорвана	$T_{3}$ открыт	1
1	0	$T_{2}$ закрыт — цепь разорвана	$T_{4}$ открыт	1
1	1	оба открыты	оба закрыты	0

12345

а — И-НЕ

Что здесь что (5)

$T_{3}$ — p-канальный (вход A). Параллельно с $T_{4}$ : если A низкий, подтягивает выход к $U_{CC}$ .
$T_{4}$ — p-канальный (вход B). Если B низкий — тоже подтягивает выход вверх.
$T_{1}$ — n-канальный (вход A). Последовательно с $T_{2}$ : цепь к земле замкнута, только если открыты оба.
$T_{2}$ — n-канальный (вход B). Вторая половина последовательной цепочки.
Выход Q. Низкий только при A = B = 1; в любом статическом состоянии сквозного тока нет.

б — И = И-НЕ + инвертор

Как из четырёх (и ещё двух) транзисторов получаются вентили И-НЕ и И.

Упражнение 3.3.18 задача

В схеме нужен вентиль И (без инверсии), а в наличии только КМОП-транзисторы. Нарисуйте его. Сколько транзисторов понадобится и почему не удаётся обойтись одним каскадом?

Подсказка

Подумайте, почему КМОП-каскад всегда инвертирует.

Решение

Простейший КМОП-каскад всегда инвертирует: n-канальный ключ при высоком входе тянет выход к земле. Поэтому И = И-НЕ (два p-канальных параллельно сверху, два n-канальных последовательно снизу) плюс КМОП-инвертор на выходе — всего 6 транзисторов. Одним каскадом без инверсии не выйдет: n-канальный транзистор, подключённый истоком к выходу, а не к земле, стал бы истоковым повторителем и не дотянул бы выход до $U_{CC}$ — ему не хватило бы $U_{ЗИ}$ .

Упражнение 3.3.19 проектирование

Постройте КМОП-вентиль ИЛИ-НЕ на два входа: выход низкий, если высок хотя бы один из входов A, B. Сформулируйте общее правило, связывающее соединение n- и p-канальных транзисторов в И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

Решение

Схема двойственна И-НЕ. Нижняя (n-канальная) часть должна проводить, если высок A или B, — два n-канальных транзистора параллельно между выходом и землёй. Верхняя (p-канальная) должна проводить, только если оба входа низкие, — два p-канальных последовательно между $+ U_{CC}$ и выходом. Вход A управляет одной парой n и p, вход B — другой. В любом статическом состоянии проводит ровно одна из двух цепочек, сквозного тока нет.

Правило: последовательные n-канальные ↔ параллельные p-канальные (И-НЕ); параллельные n ↔ последовательные p (ИЛИ-НЕ).

Упражнение 3.3.20 задача

В библиотеках элементов для заказных КМОП-микросхем базовые вентили почти всегда инвертирующие: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, а ИЛИ и И встречаются как составные. Как устроен КМОП-вентиль ИЛИ и чем он хуже ИЛИ-НЕ по быстродействию?

Решение

ИЛИ = ИЛИ-НЕ + инвертор: два p-канальных последовательно, два n-канальных параллельно и на выходе ещё КМОП-инвертор — 6 транзисторов. Одним каскадом его не сделать (по той же причине, что и И). Сигнал проходит две ступени вместо одной, задержка больше, транзисторов и площади тоже больше. Поэтому логику строят из инвертирующих вентилей, а неинвертирующие получают добавлением инвертора только там, где без этого не обойтись.

Упражнение 3.3.21 проектирование

Нарисуйте КМОП-вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ на четыре входа. У какого из них и на каком фронте выхода (0 → 1 или 1 → 0) переключение будет самым медленным, если учесть, что p-канальные транзисторы того же размера хуже n-канальных?

Решение

И-НЕ: четыре n-канальных транзистора последовательно между выходом и землёй и четыре p-канальных параллельно между питанием и выходом. ИЛИ-НЕ: четыре n-канальных параллельно и четыре p-канальных последовательно.

Медленнее всего — фронт 0 → 1 у ИЛИ-НЕ: ёмкость нагрузки заряжается через четыре последовательных p-канальных транзистора, а у p-канала $R_{вкл}$ и так больше (меньше подвижность дырок); сопротивление цепочки вчетверо больше, чем у одного. У И-НЕ последовательно стоят быстрые n-канальные, и его худший фронт (1 → 0) заметно быстрее. Поэтому многовходовые ИЛИ-НЕ в КМОП невыгодны: разработчики предпочитают И-НЕ, а p-канальные транзисторы делают шире, чтобы уравнять фронты.

Упражнение 3.3.22 проектирование

Нарисуйте одноступенчатый КМОП-вентиль для функции $Y = \overline{(A + B) \cdot C}$ («ИЛИ-И-НЕ»). Сколько транзисторов понадобится?

Решение

Нижняя (n-канальная) цепь должна проводить, когда $(A + B) \cdot C = 1$ : параллельная пара n-транзисторов A и B, а последовательно с ней — n-транзистор C (между выходом и землёй). Верхняя (p-канальная) цепь двойственна: последовательная пара p-транзисторов A и B, а параллельно ей — p-транзистор C (между $+ U_{CC}$ и выходом). Всего 6 транзисторов, столько же, сколько у И-НЕ с инвертором, но функция сложнее, а задержка — одна ступень. Такие составные вентили — обычное дело в больших КМОП-микросхемах.

Из этих базовых вентилей складывается вся цифровая КМОП-техника. Ничтожное потребление и выходные уровни, привязанные к шинам питания, делают КМОП лучшим выбором для большинства цифровых схем, а для микромощных (часы, маленькие приборы на батарейках) — единственно возможным.

Куда всё-таки уходит энергия

«Нулевое потребление» относится только к покою. Работающая КМОП-схема потребляет, и причин две.

Куда уходит энергия: на каждом фронте выход перезаряжает ёмкость нагрузки.

Первая — перезаряд ёмкостей. На каждом фронте выход заряжает или разряжает ёмкость нагрузки током $i = C d U / d t$ . Это ёмкость проводников и входов следующих вентилей; в сложной микросхеме каждый вентиль нагружен внутренними ёмкостями, так что ток переключения есть и без всякой внешней нагрузки. Естественно, он пропорционален частоте переключений.

Динамическое потребление КМОП

I = C U_{CC} f, P = C U_{CC}^{2} f

Обозначения:

C

U_{CC}

f

Мощность растёт пропорционально частоте и квадрату напряжения — отсюда стремление снижать питание.

Упражнение 3.3.23

Выход микроконтроллера с питанием 3,3 В выдаёт тактовый сигнал 50 МГц на линию с ёмкостью 12 пФ (полный цикл 0 → 1 → 0 за период). Какой средний ток уходит на перезаряд и какая мощность рассеивается?

I =мАP =мВт

Решение

За период из источника берётся заряд $C U$ и энергия $C U^{2}$ : половина запасается в ёмкости и рассеивается при разряде, половина сразу теряется в p-канальном ключе. Средний ток $I = C U f = 12 \cdot 1 0^{- 12} \cdot 3, 3 \cdot 5 \cdot 1 0^{7} \approx 1, 98$ мА, мощность $P = C U^{2} f \approx 6, 5$ мВт. При 5 В было бы почти 15 мВт — мощность растёт как квадрат питания.

Вторая причина — сквозной ток. Пока вход проходит середину диапазона между землёй и питанием, приоткрыты оба транзистора, и короткий импульс тока идёт прямо с $U_{CC}$ на землю («ток класса А»). С медленными входными фронтами он становится заметным; к последствиям вернёмся в разговоре о логических семействах (раздел 8.2). Есть у КМОП, как у всех МОП-приборов, и ещё одна слабость — уязвимость к статическому электричеству (в конце этого раздела).

Ток, текущий от питания прямо на землю, пока вход КМОП-инвертора проходит середину диапазона и приоткрыты оба транзистора (расчёт для 5 В и |U_п| = 1 В).

Инвертор в роли усилителя

КМОП-инвертор рассчитан на логические уровни: вход и выход почти всё время у земли или у $U_{CC}$ , лишь на наносекунды проходя середину, и тока в покое нет. Но что будет, если подать на него аналоговый сигнал около середины питания? Взгляните на график сквозного тока: каждый транзистор служит для другого активной нагрузкой (источником тока). Когда вход близок к одной из шин, токи транзисторов сильно различаются, и выход прижат к шине — нормальная цифровая работа. Но около $U_{CC} /2$ есть узкая область, где токи примерно равны, — там инвертор превращается в инвертирующий линейный усилитель с большим усилением. Из-за того как $r_{о}$ и $g_{m}$ зависят от тока, усиление больше при малых токах, то есть при низком питании.

а — вход–выход при питании 5 В

б — усиление и полоса при разном питании (качественно)

Логический инвертор в роли усилителя: в середине характеристика почти вертикальна; понижение питания поднимает усиление, но сужает полосу.

Честная оценка

КМОП-инвертор как усилитель
Минусы	очень высокое выходное сопротивление (особенно при низком питании), плохая линейность, непредсказуемое усиление
Плюсы	просто и почти бесплатно: шесть инверторов в одном корпусе
Где годится	индикатор близости сетевой проводки, кварцевые генераторы, формирователи, ЧМ и частотная манипуляция

Хорошим усилителем его не назовёшь, но он прост и стоит копейки — шесть инверторов в корпусе. Поэтому им пользуются там, где форма сигнала не важна: в индикаторе скрытой проводки (он усиливает ёмкостную наводку 50 Гц), в кварцевых генераторах, в устройствах с частотной модуляцией и манипуляцией.

Чтобы инвертор работал в линейной области, его вход надо туда сместить. Обычно ставят высокоомный резистор с выхода на вход — обратную связь по постоянному току (раздел 4.1); она приводит инвертор в точку $U_{вых} = U_{вх}$ посредине характеристики. Такая параллельная обратная связь снижает входное сопротивление, поэтому если оно важно на высоких частотах, резистор делят пополам и среднюю точку шунтируют конденсатором на землю. Третья типовая схема — классический кварцевый генератор на КМОП-инверторе (раздел 5.3).

в — кварцевый генератор

Три способа поставить КМОП-инвертор в линейный режим — везде это высокоомная обратная связь с выхода на вход по постоянному току.

Упражнение 3.3.24

Почему резистор обратной связи, смещающий КМОП-инвертор в линейный режим, берут огромным — 10 МОм, — а не, например, 10 кОм?

Решение

В затвор ток не течёт, поэтому точка $U_{вых} = U_{вх}$ установится при любом сопротивлении. Но по сигналу резистор — параллельная обратная связь: он нагружает высокоомный выход инвертора (снижая усиление) и, по эффекту Миллера, со стороны входа выглядит как $R / (1 + ∣ K ∣)$ . Чем он больше, тем слабее эти эффекты; ограничивают его сверху только утечки и наводки.

Практический пример — превращение синусоиды в чистый тактовый сигнал. Генератор выдаёт по кабелю синусоиду 16 МГц с амплитудой от десятков милливольт до нескольких вольт, а цифровой схеме нужны крутые прямоугольные фронты. Первый инвертор, смещённый резистором в линейный режим, усиливает сигнал сколько сможет, второй доводит фронты до логических. Сколько именно усиливает первый — неизвестно, и это совершенно не важно: результат одинаков при входе от 50 мВ до 5 В (эфф.). Обратите внимание на защиту входа — последовательный резистор и диоды на шины.

123456

Из синусоиды 16 МГц — чистый тактовый сигнал: первый инвертор 74HC04 смещён в линейный режим, второй доводит фронты; вход защищён резистором 220 Ом и диодами на шины.

Что здесь что (6)

51 Ом. Согласованная нагрузка кабеля, по которому приходит синусоида.
Разделительный конденсатор. Пропускает сигнал и не мешает инвертору самому найти точку смещения.
220 Ом. Ограничивает ток через защитные диоды при большом входном сигнале (до 5 В эфф.).
Диоды 1N914. Держат вход в пределах от земли до +5 В — защита КМОП-входа.
470 кОм с выхода на вход. Обратная связь по постоянному току: ставит инвертор в точку $U_{вых} = U_{вх}$ — середину крутого участка.
Второй инвертор. Доводит фронты до логических: на выходе строго прямоугольный тактовый сигнал.

3.3.5Мощные МОП-ключи

≈ 24 мин5 упр.

Главное

Мощный МОП: нет вторичного пробоя, легко параллелится, но большая ёмкость затвора, диод сток — исток и пробой затвора ±20 В.
Ток затвора при переключении $C_{вх} d U_{З} / d t + C_{ос} d U_{СЗ} / d t$ — сотни миллиампер; время $\approx Q_{З} / I_{драйвера}$ .
Логика 3,3–5 В открывает не всякий МОП: «порог» в паспорте — это где ток только появляется.
Резистор последовательно с затвором и резистор затвор — исток защищают и транзистор, и управляющую схему.

МОП-транзистор, работающий насыщенным ключом, мы видели в самом начале главы. Мощные приборы выпускают многие фирмы, и их сильные стороны — высокое входное сопротивление, лёгкое параллельное включение, отсутствие вторичного пробоя — делают силовые схемы проще, чем на мощных биполярных транзисторах.

Ловушка. Но у мощных МОП-транзисторов есть тонкие, плохо заметные эффекты, и бездумная замена биполярного транзистора на МОП в переключательной схеме может закончиться внезапной поломкой. Прежде чем паять, прочтите этот обзор.

Немного истории. Долгое время ПТ оставались хилыми приборами на десятки миллиампер. Перелом случился в конце 1970-х, когда появились мощные МОП-транзисторы с вертикальной структурой (V-образная канавка, отсюда VМОП). Теперь их делают все изготовители дискретных полупроводников под разными названиями: VМОП, ТМОП, вертикальные ДМОП, HEXFET (шестиугольные ячейки).

до 1000 Внапряжение

сотни Аимпульсный ток

миллиомы

R_{вкл}

копейкицена маленьких

Забавно, что дискретный маломощный МОП-транзистор сейчас найти труднее, чем мощный: мощные продаются в любых корпусах и стоят недорого.

Почему мощный МОП не боится горячих точек

Представьте кристалл мощного транзистора как мозаику из множества маленьких транзисторов, соединённых параллельно и работающих при одном напряжении. Что будет, если одна ячейка окажется чуть горячее соседних?

Кристалл мощного транзистора — это мозаика из множества мелких ячеек, соединённых параллельно; у биполярного прибора самая горячая ячейка забирает больше тока.

Почему у МОП-транзистора нет вторичного пробоя

Горячая ячейка кристалла	Биполярный	МОП
Ток с нагревом	растёт (примерно +9 %/°C при постоянном $U_{БЭ}$ )	при больших токах падает
Что дальше	берёт больший ток, греется ещё сильнее — ток «шнуруется»	отдаёт ток соседям и остывает
Итог	вторичный пробой; ОБР меньше, чем по мощности	вторичного пробоя нет; ОБР ограничена только мощностью
Параллельное включение	нужны выравнивающие резисторы	можно без резисторов

У биполярного транзистора ток коллектора при неизменном $U_{БЭ}$ растёт с температурой примерно на 9 % на градус (раздел 2.3). Горячая ячейка забирает больше тока, греется ещё сильнее, забирает ещё больше… При достаточно больших $U_{КЭ}$ и $I_{К}$ ток стягивается в узкий шнур, и наступает местный саморазогрев — вторичный пробой. Поэтому область безопасной работы (ОБР) биполярного транзистора уже, чем позволяет одна лишь рассеиваемая мощность (раздел 6.2).

У МОП-транзистора при больших токах ток стока с нагревом уменьшается (вспомните графики температурной зависимости в разделе 3.1), и горячей ячейке просто не из чего разгореться. Вторичного пробоя нет, ОБР ограничена только мощностью. По той же причине усилители мощности на МОП не склонны к тепловому уходу режима, а сами транзисторы можно соединять параллельно без выравнивающих резисторов.

Разрешённые сочетания тока и напряжения для двух приборов с одинаковыми паспортными I_макс, U_макс и P_расс: у биполярного при больших напряжениях граница проваливается из-за вторичного пробоя, у МОП — нет.

Управление от логики

Чаще всего затвор силового ключа приходится подключать к цифровой схеме. Логика серии 4000 работает и от 10–15 В, но большинство современных схем — это 5 В, 3,3 В, а у ТТЛ высокий уровень в худшем случае всего +2,4 В. Ниже — четыре варианта.

а — реле от КМОП-логики 12 В

б — отключение питания датчика, p-МОП

в — ТТЛ: подтяжка поднимает «единицу» до 5 В

г — ТТЛ и транзистор с низким порогом

Четыре способа включить нагрузку от логического выхода через МОП-транзистор.

При питании логики 12 В на затвор приходит полный размах, и любой МОП-транзистор открывается целиком — годится недорогой VN0106. Диод гасит выброс индуктивности обмотки реле (раздел 1.6). Резистор 470 Ом в затворе не обязателен, но полезен: через ёмкость сток–затвор выброс со стока может проскочить обратно в нежную КМОП-логику (об этом ниже).

Две последние схемы решают одну задачу — как жить с высоким уровнем ТТЛ, который в худшем случае всего +2,4 В (обычно около +3,5 В). Можно добавить подтягивающий резистор, а можно выбрать транзистор с низким порогом.

а — стоковые кривые, у кривых — Uзи

б — ток от Uзи при Uси = 25 В и трёх температурах

Расчётные кривые n-канального транзистора с низким порогом (по типу TN0104): паспортные «1,5 В» — это где ток только появляется; полностью он открывается гораздо выше.

Ловушка. Читайте паспорт до конца: «

U_{п}

= 1,5 В (макс.)» звучит прекрасно, пока не увидишь сноску «при

I_{С}

= 1 мА». Чтобы транзистор открылся полностью, на затвор нужно намного больше порога.

Будет ли последняя схема работать? Вероятно, да: высокий уровень ТТЛ редко опускается ниже +3 В (типично +3,5 В), а в паспорте TN01 дальше указано « $R_{вкл}$ (тип.) = 5 Ом при $U_{ЗИ}$ = 3 В». Это типичный выбор инженера: сложная схема, которая гарантированно работает в наихудшем случае, или простая, которая наихудшим спецификациям не удовлетворяет, но почти всегда работает. Не раз вы поймаете себя на втором варианте — вопреки тихому внутреннему голосу.

Ёмкость затвора

Зачем в первой схеме резистор в затворе? Активное сопротивление затвора бесконечно, но ёмкость затвор–канал вполне конечна (раздел 3.2), и у сильноточных приборов она огромна:

45 пФVN01 (1 А)

450 пФIRF520 (10 А)

4300 пФSMM70N05 (70 А)

Быстро меняющееся напряжение стока наводит через эту ёмкость в цепи затвора ток в миллиамперы — достаточный, чтобы перегрузить, а то и повредить управляющую КМОП-микросхему.

Правило. Резистор последовательно с затвором — компромисс между скоростью переключения и защитой; типично от 100 Ом до 10 кОм.

Ток затвора мощного ключа

I = C_{вх} \frac{d U _{З}}{d t} + C_{ос} \frac{d U _{СЗ}}{d t}

Обозначения:

C_{вх}

C_{ос}

U_{СЗ}

В ключе с общим истоком обычно преобладает второй член (эффект Миллера): перепад на стоке намного больше перепада на затворе.

Даже без индуктивной нагрузки ток затвора при переключении складывается из двух частей: заряда входной ёмкости $C_{вх}$ ( $C_{i ss}$ ) и перезаряда меньшей ёмкости обратной связи $C_{ос}$ ( $C_{rss}$ ). В ключе с общим истоком обычно важнее вторая: перепад на стоке гораздо больше перепада на затворе (эффект Миллера).

Упражнение 3.3.25

Контроллер светодиодной ленты выключает МОП-транзистор за 100 нс: затвор падает с +10 В до нуля, а сток за то же время поднимается от 0 до 24 В. $C_{ЗИ}$ ( $C_{i ss}$ ) = 1500 пФ, $C_{ЗС}$ ( $C_{rss}$ ) = 150 пФ (считайте постоянными). Каков средний ток затвора за эти 100 нс?

I затвора =мА

Решение

Перезаряд входной ёмкости: $C_{ЗИ} Δ U_{З} /Δ t = 1500 пФ \cdot 10 В /100 нс = 150$ мА. Ток Миллера: $C_{ЗС} Δ U_{С} /Δ t = 150 пФ \cdot 24 В /100 нс = 36$ мА. Знаки совпадают (затвор опускается, сток поднимается — напряжение сток–затвор растёт на 34 В), итого около 186 мА. Ни один логический выход столько не даст: нужен драйвер затвора.

Заряд затвора и полка Миллера

Ток Миллера течёт всё время, пока меняется напряжение стока, а ток через ёмкость затвор–исток — лишь пока меняется напряжение затвора. Удобнее всего это видно на графике заряда затвора: по горизонтали — сколько заряда внёс драйвер, по вертикали — напряжение на затворе.

Включение мощного МОП-ключа по графику заряда затвора

Заряд $C_{i ss}$ до порога и вышеЗатвор растёт, сток ещё на высоком напряжении; ток стока нарастает.
Полка МиллераЗатвор «замер» на напряжении включения: падающее напряжение стока требует от драйвера дополнительного заряда в $C_{rss}$ .
Дозаряд до 10 ВСток почти на нуле, $C_{rss}$ при малом напряжении велика — кривая идёт положе.

Напряжение на затворе по мере того, как драйвер вносит заряд (по типу IRF520): ровный участок — полка Миллера.

Как ёмкости мощного МОП-транзистора зависят от напряжения на стоке (качественно, по типу IRF520, U_ЗИ = 0).

Ровная полка соответствует напряжению включения. Если бы $C_{rss}$ была постоянной, длина полки была бы пропорциональна напряжению стока, а после неё кривая продолжилась бы с прежним наклоном. На деле $C_{rss}$ резко растёт при малом напряжении сток–затвор (правый график), поэтому основная часть заряда Миллера приходится на последние вольты спада стока. Отсюда и меньший наклон кривой после полки, и то, что длина полки почти не зависит от напряжения питания. Для расчёта времени переключения достаточно полного заряда затвора из паспорта:

Время переключения по заряду затвора

t_{перекл} \approx \frac{Q _{З}}{I _{драйвера}}

Обозначения:

Q_{З}

I_{драйвера}

Модель: включение мощного МОП-ключа через резистор затвора

Упражнение 3.3.26

Почему на графике заряда затвора участок после полки Миллера идёт положе, чем участок до неё?

Решение

До полки сток высоко, и драйвер заряжает в основном $C_{ЗИ}$ (плюс небольшую $C_{ЗС}$ при большом $U_{СЗ}$ ). На полке весь заряд идёт в $C_{ЗС}$ , пока падает сток. После полки транзистор открыт, сток около нуля, и каждый следующий вольт на затворе меняет напряжение сток–затвор на тот же вольт — а $C_{ЗС}$ при малых (и даже отрицательных) $U_{СЗ}$ уже в несколько раз больше. На вольт требуется больше заряда: $d Q / d U = C_{ЗИ} + C_{ЗС}$ (при малом $U$ ), и наклон $d U / d Q$ меньше. Та же зависимость $C_{rss}$ объясняет, почему длина полки почти не зависит от напряжения питания.

Три западни

Диод внутри. Все изготовители мощных МОП-транзисторов соединяют подложку с истоком прямо в корпусе. Подложка с каналом — это диод, значит, между стоком и истоком всегда есть диод; на многих символах его даже рисуют, чтобы не забыли.

Подложка мощного МОП-транзистора соединена с истоком внутри корпуса, поэтому параллельно каналу всегда есть диод.

Что здесь что (2)

Встроенный диод сток — исток. Подложка соединена с истоком в корпусе; диод открывается при обратном напряжении на канале.
Обычный символ. Диод не нарисован, но он есть у любого мощного МОП-транзистора.

Ловушка. Мощный МОП-транзистор — не двунаправленный ключ: обратное напряжение на канале больше падения на диоде к нему приложить нельзя. Сбрасывать им интегратор с двуполярным сигналом или коммутировать двуполярный аналоговый сигнал не получится. (У аналоговых ключей-микросхем этой беды нет — подложка у них на отрицательном питании.)

Ловушка. Хрупкий затвор. Пробой затвор–исток (обычно ±20 В) намного ниже пробоя сток–исток (от 20 до 1000 В). Пока затвором управляет низковольтная логика, это неважно; но подайте на затвор полный размах со стока соседнего МОП-транзистора — и он погибнет мгновенно.

Статика. Все МОП-приборы крайне чувствительны к электростатическому разряду, пробивающему окисел затвора. У ПТ с p-n-переходом и других приборов с переходами лавинный ток безопасно снимает перенапряжение, а МОП-транзистор необратимо повреждается при первом же пробое затвора. Для силовых ключей отсюда два простых правила.

Защита затвора мощного МОП-ключа

Резистор 1–10 кОм последовательно с затворомОсобенно если сигнал приходит с другой платы. Резко снижает риск повреждения и защищает выход предыдущей схемы: самый частый признак пробитого затвора — заметный постоянный ток через затвор.
Резистор затвор — исток 100 кОм – 1 МОмНе оставляйте затвор «плавающим»: без пути для разряда статики он гораздо уязвимее. А плавающим он становится внезапно — достаточно вынуть разъём от другой платы.

МОП или биполярный?

В большинстве силовых применений мощный МОП-транзистор — хорошая замена биполярному: управлять им проще, а вторичного пробоя, урезающего ОБР, нет. Помните только, что открытый МОП-транзистор — это сопротивление, а не насыщенный переход. Это бывает выгодно: при малых токах «напряжение насыщения» стремится к нулю. Иногда говорят, что при больших токах МОП «насыщается хуже»; сравнение приборов одного класса показывает обратное.

Сильноточные ключи: МОП против биполярного

	Мощный МОП	Мощный биполярный
Открытый ключ	сопротивление $R_{вкл}$ : «насыщение» → 0 при малых токах	напряжение насыщения $U_{КЭ нас}$
Управление	10 В на затворе при нулевом токе	ток базы 10 % коллекторного и больше
10–50 А, до 100 В	лучше	хуже
Слаботочные	хуже собрата	лучше
Вторичный пробой	нет	есть — урезает ОБР
Ёмкости	часто больше	меньше при той же нагрузочной способности

Если сравнить пары приборов одного класса (n-p-n и n-канальный МОП), окажется, что слаботочный МОП уступает биполярному собрату, а в диапазоне 10–50 А и до 100 В выигрывает. Особенно бросается в глаза управление: биполярному для глубокого насыщения нужен ток базы 10 % коллекторного и больше, а МОП-транзистору — 10 В на затворе без всякого постоянного тока. Высоковольтные МОП-транзисторы ( $U_{СИ} > 200$ В) имеют большее $R_{вкл}$ и больший его температурный коэффициент, чем низковольтные. Ёмкости у мощных МОП часто больше, чем у биполярных той же нагрузочной способности; где важна скорость, разумно сравнивать произведение ёмкости на напряжение насыщения. Работают мощные МОП и в линейных схемах — усилителях звуковой частоты и стабилизаторах (раздел 6.1); p-канальные тоже есть, хотя n-канальных разновидностей намного больше.

Упражнение 3.3.27

Солнечный контроллер заряда коммутирует ток 15 А. Вариант 1 — МОП-транзистор с $R_{вкл} = 0, 012$ Ом при 25 °C, которое при нагреве кристалла до 125 °C вырастает в 1,8 раза. Вариант 2 — биполярный транзистор с $U_{КЭ нас} = 0, 8$ В при токе базы 1,5 А (напряжение база–эмиттер 1,1 В). Найдите мощность МОП-ключа при 25 °C и при 125 °C и полную мощность биполярного (коллектор плюс база).

P МОП 25 °C =ВтP МОП 125 °C =ВтP бип. =Вт

Решение

МОП: $P = I^{2} R = 225 \cdot 0, 012 = 2, 7$ Вт; горячий — $225 \cdot 0, 0216 \approx 4, 86$ Вт. Рост сопротивления с температурой — та самая тепловая устойчивость: в параллельной сборке горячий транзистор берёт меньше тока. Биполярный: $15 \cdot 0, 8 + 1, 5 \cdot 1, 1 = 12 + 1, 65 = 13, 65$ Вт, и полтора ампера в базу ещё надо где-то взять. На больших токах МОП выигрывает с большим запасом.

Выключатели питания

Прибор на батарейке измеряет что-то раз в минуту, а радиомодуль для передачи данных включается ещё реже. Держать его под питанием всё время незачем. Первая схема ниже отключает радиомодуль p-канальным ключом по команде микроконтроллера; управляющая логика работает от той же шины 3,3 В и в покое ничего не потребляет.

Вторая схема включает +12 В на мощную нагрузку — скажем, передатчик или насос. Логический сигнал имеет размах всего 5 В, поэтому полный перепад 12 В на затворе p-канального ключа обеспечивает маленький n-канальный транзистор. Подтягивающий резистор в его стоке может быть большим: ток в затвор p-канального ключа не течёт (даже когда через ключ идут амперы), а большая скорость переключения здесь не нужна.

Третья схема добавляет ограничение тока на p-n-p-транзисторе. В силовых схемах это всегда полезно — короткие замыкания случаются, особенно на макетке, — а здесь ограничитель ещё и укрощает бросок тока при подаче питания на нагрузку с незаряженным конденсатором. Нажимайте на метки третьей схемы, чтобы разобраться, как он работает.

123456

Что здесь что (6)

Датчик тока 0,33 Ом. Падение на нём при перегрузке открывает p-n-p-транзистор.
p-n-p-ограничитель. Когда на датчике набирается ~0,6 В, он открывается и подтягивает затвор VP12 к истоку: ток не превысит $0, 6/0, 33 \approx 1, 8$ А.
Ключ VP12 (p-МОП). Исток на +12 В; проводит, когда делитель опускает затвор.
Делитель 100 кОм / 22 кОм. Ограничивает $∣ U_{ЗИ} ∣$ ключа (около 9,8 В) и даёт p-n-p-транзистору возможность «перетянуть» затвор.
VN01. Маленький n-канальный ключ — переводчик уровня: логические 5 В превращаются в размах почти 12 В на затворе.
Нагрузка с конденсатором. Тот же ограничитель укрощает бросок тока при заряде пустого конденсатора.

Выключатели питания на МОП-транзисторах: а — обесточивание радиомодуля по команде микроконтроллера; б — 12 В по сигналу логики 0/5 В; в — то же с ограничением тока (датчик 0,33 Ом и p-n-p-транзистор).

Ток ограничения

I_{огр} \approx \frac{0 , 6 В}{R _{датч}}

Обозначения:

R_{датч}

0, 6 В

0,6 В / 0,33 Ом ≈ 1,8 А. При ограничении ключ работает в линейном режиме и греется — это защита от кратковременных замыканий.

Упражнение 3.3.28

Схему с ограничением тока хотят поставить в грузовик с бортовой сетью 28 В и уменьшить ток ограничения: датчик — 0,22 Ом, p-n-p открывается при 0,6 В. Пробой затвора p-канального ключа 20 В, и надёжным считают не более 12 В на затворе. Нижний резистор делителя (между затвором и n-канальным транзистором) оставили 22 кОм. а) Какой наибольший ток пропустит ограничитель? б) Каким должен быть верхний резистор (затвор–исток)?

I макс =АR верх =кОм

Решение

Как работает ограничитель: ток нагрузки идёт через датчик; когда падение на нём доходит до ~0,6 В, p-n-p открывается и подтягивает затвор p-канального ключа к истоку, уменьшая $∣ U_{ЗИ} ∣$ . Ключ «призакрывается» и держит ток около $0, 6/0, 22 \approx 2, 7$ А. Работает он при этом в линейном режиме и греется, так что это защита от кратковременных замыканий и бросков, а не от длительного короткого замыкания.

Зачем делитель из двух резисторов, а не один подтягивающий? Без нижнего резистора n-канальный транзистор жёстко держал бы затвор на земле, и p-n-p не смог бы его поднять — ограничение не сработало бы. Заодно делитель задаёт $∣ U_{ЗИ} ∣$ ключа.

б) $∣ U_{ЗИ} ∣ = 28 \cdot R / (R + 22 кОм) \leq 12$ В, откуда $R \leq 12 \cdot 22/ (28 - 12) = 16, 5$ кОм (стандартный — 15 кОм). Ток, который p-n-p должен «перетянуть» при ограничении, — около $28 В /22 кОм \approx 1, 3$ мА, вполне посильно.

Ловушка. Пробой затвора около ±20 В — реальное ограничение, если поднять питание этой схемы. Пересчитайте делитель так, чтобы напряжение затвор–исток p-канального ключа при любом допустимом питании оставалось заметно ниже 20 В.

Сумеречный выключатель

Уличный фонарь у калитки должен загораться в сумерках. Фоторезистор на свету имеет малое сопротивление, в темноте — огромное: с наступлением ночи оно меняется, скажем, с 10 кОм до 10 МОм. Включим его в делитель, который прямо управляет затвором, — затвор не нагружает делитель по постоянному току. Темнеет, напряжение на затворе растёт, и когда ток стока становится достаточным, срабатывает реле.

б — два каскада и гистерезис через 4,7 МОм

Сумеречные выключатели: стемнело — фоторезистор поднял напряжение на затворе — включилась нагрузка.

Как срабатывает сумеречный выключатель

Темнеет

Затвор поднимается

Порог пройден

Щелчок

Ни точностью, ни стабильностью первая схема не блещет, но здесь это и не нужно: сопротивление фоторезистора меняется в тысячу раз, и неточность порога означает лишь, что фонарь загорится на несколько минут раньше или позже. Хуже другое: пока напряжение на затворе медленно проходит порог, транзистор работает в линейном режиме и греется, а реле может дребезжать. Вторая схема это исправляет: два каскада дают гораздо большее усиление, а положительная обратная связь через 4,7 МОм при достижении порога «опрокидывает» схему скачком.

Генератор ультразвуковой ванны

В ультразвуковой ванне для чистки деталей пьезоизлучатель возбуждается на частоте около 40 кГц мощностью порядка 100 Вт. Схема — двухтактная: два n-канальных ключа IRFZ44N по очереди подключают к земле половины первичной обмотки трансформатора, средняя точка которой сидит на +24 В. Во вторичной обмотке получается переменное напряжение, раскачивающее излучатель.

Генератор ультразвуковой ванны (около 100 Вт, 40 кГц): ключи IRFZ44N по очереди подключают к земле половины первичной обмотки со средней точкой на +24 В; каждым затвором управляет двухтактный эмиттерный повторитель (2N4401/2N4403), на входы которых поданы противофазные сигналы F и ~F.

Главная трудность — затворы. Ёмкость у таких транзисторов — тысячи пикофарад, а переключаться им нужно за доли микросекунды (полупериод на 40 кГц — 12,5 мкс, и затянутые фронты превращаются в нагрев). Поэтому каждым затвором управляет двухтактный эмиттерный повторитель на 2N4401/2N4403 через резистор 4,7 Ом: он быстро заряжает и разряжает ёмкость затвора в обе стороны. Есть и тонкость по напряжению: на стоке закрытого ключа в такой схеме появляется удвоенное питание — 48 В, — так что 55-вольтовый транзистор работает близко к пределу, и выбросы индуктивности рассеяния гасят снабберной цепочкой или берут транзисторы на 100 В.

Высоковольтный линейный усилитель

Мощные МОП годятся и для линейных схем. Пьезоприводы микропозиционеров (в микроскопах, в юстировке оптики) перемещают объект на доли микрона, но для заметного хода им нужны сотни вольт. Нагрузка эта неприятная: ёмкость 0,01 мкФ и больше, да ещё механический резонанс в килогерцевом диапазоне. Готовые усилители дороги, а собрать свой помогает недорогой МОП-транзистор BUZ50B на 1 кВ и 2 А.

1234567

Высоковольтный усилитель для пьезопривода микропозиционера, питание +600 В (упрощённо): каскад с общим истоком, над ним истоковый повторитель с диодом исток–затвор (он работает на разряд нагрузки), n-p-n-ограничитель тока и обратная связь на ОУ через делитель 1 МОм / 18 кОм (около 57 В на 1 В входа).

Что здесь что (7)

ОУ. Общая обратная связь: около 57 В на выходе на 1 В входа; линейность не зависит от $I_{С} (U_{ЗИ})$ .
Каскад с общим истоком. Первый BUZ50B (1 кВ, 2 А) инвертирует и раскачивает затвор выходного транзистора; нагрузка — 220 кОм.
Истоковый повторитель. Второй BUZ50B отдаёт ток в ёмкость пьезопривода.
Диод исток — затвор. Второй «такт»: при разряде нагрузки ток уходит через диод в открытый нижний транзистор.
Ограничитель тока. n-p-n-транзистор с датчиком 47 Ом «плавает» вместе с выходом, поэтому может быть низковольтным.
Делитель обратной связи. 1 МОм / 18 кОм — примерно 1/57 выходного напряжения на вход ОУ.
Пьезопривод. Ёмкость 0,01 мкФ и больше, резонанс в килогерцах — трудная нагрузка.

Первый транзистор — инвертирующий каскад с общим истоком, нагруженный резистором 220 кОм; он раскачивает истоковый повторитель на втором BUZ50B. Ограничитель тока на n-p-n-транзисторе с датчиком 47 Ом может быть низковольтным: он привязан к выходу и «плавает» вместе с ним.

Самая интересная деталь — диод между истоком и затвором выходного транзистора. Схема выглядит однотактной, но на самом деле двухтактная. Чтобы быстро перезаряжать ёмкостную нагрузку, нужен ток в обе стороны: повторитель умеет ток отдавать, а забрать его из нагрузки через резистор 220 кОм было бы безнадёжно медленно (та же проблема однотактного повторителя, что и в разделе 2.2). Когда нижний транзистор открывается сильнее, затвор выходного опускается ниже истока, диод открывается, и разрядный ток уходит через него в нижний транзистор — вот и второй «такт».

Остальное — обратная связь через ОУ (раздел 4.1) с делителем 1 МОм / 18 кОм: выход получается линейным, около 57 В на вольт входа, иначе он повторял бы нелинейную характеристику $I_{С} (U_{ЗИ})$ входного транзистора.

Упражнение 3.3.29

Пьезопривод микропозиционера ёмкостью 0,015 мкФ должен перезаряжаться со скоростью 0,8 В/мкс. а) Какой ток должен отдавать и забирать выходной каскад? б) Какой ток пропустит ограничитель с датчиком 47 Ом (n-p-n открывается при 0,6 В) — хватит ли его? в) Какой датчик нужен для ограничения на уровне 20 мА?

I =мАI огр (47 Ом) =мАR датчика =Ом

Решение

а) $I = C d U / d t = 0, 015 \cdot 1 0^{- 6} \cdot 0, 8 \cdot 1 0^{6} = 12$ мА — в нагрузку и обратно (потому и нужен второй «такт» через диод исток–затвор).

б) $0, 6 В /47 Ом \approx 12, 8$ мА — впритык: запаса почти нет, и при чуть большей ёмкости скорость нарастания упрётся в ограничение. С ёмкостью 0,01 мкФ тот же ток даёт около 1,3 В/мкс.

в) $R = 0, 6 В /20 мА = 30$ Ом (стандартный — 30 или 33 Ом). Больший ток — быстрее, но и больше энергии при случайном замыкании выхода: ограничение выбирают сознательно, как компромисс скорости и безопасности.

3.3.6Как не убить МОП-транзистор статикой

≈ 6 мин2 упр.

Главное

Окисел затвора — изолятор без пути стока заряда: однократный пробой статикой губит прибор навсегда.
Человек — конденсатор ~100 пФ через 1,5 кОм, заряженный зимой до 10 кВ и больше.
Сначала разрядитесь о плату; проводящая упаковка, заземлённые паяльник и стол, браслет, влажность.
Слаботочные МОП без защиты (малая ёмкость затвора) уязвимее всего.

Знакомая история: вы достали МОП-транзистор из пакетика, донесли до макетной платы, вставили, включили питание — а он мёртв. Скорее всего, его убили вы сами, по дороге. Зимой человек легко накапливает статический заряд в несколько киловольт, и достаточно было сначала коснуться другой рукой земли платы, чтобы его снять.

Почему МОП-приборы так беззащитны? Затвор отделён от канала плёнкой стекла ( $SiO_{2}$ ) толщиной в несколько тысяч ангстрем (1 Å = 0,1 нм). Сопротивление у неё огромное, но в этом и беда: нет ни резистивного, ни полупроводникового пути, по которому мог бы стечь попавший на затвор заряд. Напряжение растёт, пока плёнка не пробьётся.

С точки зрения электрика человек — это конденсатор около 100 пФ, соединённый последовательно с сопротивлением около 1,5 кОм. Пройдитесь в шерстяных носках по ковру в сухой зимний день — и этот конденсатор зарядится до 10 кВ и выше; даже движение руки в рукаве свитера даёт несколько киловольт.

1234

Так при испытаниях изображают заряженного человека: 100 пФ через 1,5 кОм.

Что здесь что (4)

Человек. Заряжается трением до единиц–десятков киловольт.
100 пФ. Запасённая энергия $C U^{2} /2$ : при 8 кВ — 3,2 мДж.
1,5 кОм. Сопротивление тела ограничивает начальный ток разряда — но это всё равно амперы.
Затвор. Ёмкость затвора заряжается почти до напряжения человека — окисел пробит.

35 000 Входьба по ковру, сухо

100 пФёмкость человека

десятки вольтпробой окисла затвора

Какое напряжение статики набирается при обычных действиях (сухой и влажный воздух; данные справочников изготовителей)
Действие	Влажность 10–20 %	Влажность 65–90 %
Ходьба по ковру	35 000 В	1 500 В
Ходьба по виниловому полу	12 000 В	250 В
Работа за монтажным столом	6 000 В	100 В
Виниловые конверты для документации	7 000 В	600 В
Полиэтиленовый пакет, взятый со стола	20 000 В	1 200 В
Стул с поролоновой подушкой	18 000 В	1 500 В

Хорошая искра убьёт любой полупроводниковый прибор, но МОП-приборы особенно уязвимы: энергии, которая запасается в самой ёмкости затвор–канал к моменту пробоя, уже хватает, чтобы прожечь в тонком окисле отверстие, а 100 пФ «человека» только добавляют энергии. Под микроскопом затвор транзистора, убитого разрядом всего 1 кВ через 1,5 кОм и 100 пФ, выглядит как после взрыва: слово «пробой» для такого повреждения слишком деликатно.

Для промышленности статика — одна из главных причин брака на сборочных линиях. Чувствительны к ней почти все полупроводники (биполярный транзистор выдерживает лишь примерно вдесятеро большее напряжение), поэтому их хранят и перевозят в проводящей фольге или упаковке.

Антистатический порядок

РазрядитесьПрежде чем брать прибор, коснитесь земли платы.
Проводящая упаковкаХраните и переносите МОП-приборы в проводящей фольге, пене или пакетах.
Заземлите инструментПаяльник, поверхность стола; проводящий браслет на запястье.
Антистатика вокругПокрытия пола, обивка мебели, даже одежда (халат из ткани с 2 % стальных волокон).
Влажность и ионизаторыВлажный или ионизированный воздух слегка проводит, и заряд не накапливается.
Обученные людиБез этого зимой доля годных изделий падает катастрофически.

Прибор, уже впаянный в схему, погибает гораздо реже. К тому же многие МОП-микросхемы (например, КМОП-логика, но не мощные МОП-транзисторы) имеют на входах защитные диоды. Защитные цепочки из резисторов и встречных диодов (иногда стабилитронов) немного ухудшают параметры, но риск они снижают так сильно, что ставить их обычно стоит.

До какого напряжения зарядится затвор

U_{З} = U_{чел} \frac{C _{чел}}{C _{чел} + C _{З}}

Обозначения:

U_{чел}

C_{чел}

C_{З}

Чем меньше ёмкость затвора, тем ближе напряжение к полному — маленькие транзисторы уязвимее больших.

Ловушка. Из незащищённых приборов больше всего рискуют те, у кого маленький затвор, — слаботочные МОП-транзисторы. Их малая ёмкость при касании заряженного «человека» 100 пФ заряжается почти до его напряжения. Транзисторы вроде VN13 с крошечной площадью затвора на практике гибнут так часто, что в серийных изделиях от них лучше отказаться.

Изготовители понимают серьёзность проблемы и выпускают приборы с повышенным пробоем затвор–исток; например, у серии TMOS IV (Motorola) он составляет ±50 В.

Упражнение 3.3.30

Зимой, пройдясь по ковру, вы зарядились до 12 кВ (модель тела — 100 пФ и 1,5 кОм). а) Какая энергия запасена? б) Каков начальный ток разряда при касании заземлённого вывода? в) Вы взялись за вывод затвора неподключённого маленького МОП-транзистора с ёмкостью затвора 20 пФ (остальные выводы через вашу же руку и стол фактически заземлены). До какого напряжения зарядится затвор, если пробоя не будет?

W =мДжI =АU затвора =кВ

Решение

а) $W = C U^{2} /2 = 100 \cdot 1 0^{- 12} \cdot (12000)^{2} /2 = 7, 2$ мДж. б) $I = U / R = 12 000/1500 = 8$ А — амперы, пусть и на наносекунды. в) Заряд делится между ёмкостями: $U = 12000 \cdot 100/ (100 + 20) = 10$ кВ — в сотни раз больше пробоя окисла (десятки вольт). Чем меньше ёмкость затвора, тем ближе его напряжение к вашему, поэтому маленькие транзисторы уязвимее больших. Вывод: разрядитесь о землю платы, не оставляйте затвор неподключённым (резистор затвор–исток) и ставьте последовательные резисторы.

Упражнение 3.3.31

Сигнал на затвор мощного МОП-ключа приходит по кабелю с другой платы. Какая комбинация мер разумна?

Решение

Встроенной защиты затвора у мощных МОП-транзисторов обычно нет. Последовательный резистор ограничивает ток разряда и бережёт выход управляющей схемы, если затвор всё-таки пробит (через него тогда течёт ток). Резистор затвор–исток не даёт затвору «плавать», когда кабель отключён: плавающий затвор и копит статику, и может приоткрыть транзистор. Большой конденсатор безнадёжно затянет переключение, а стабилитрон на 100 В затвор не спасёт — окисел пробивается при десятках вольт.