МОП-ключ с малым значением падения напряжения при малом токе утечки

№ 12’2015
PDF версия
Сегодня в мире электроники представлено огромное число разнообразных аналоговых ключей, реализованных на МОП-транзисторах. С момента появления их первых версий было создано множество специализированных схем. Современная электроника движется по пути увеличения скорости, а следовательно, и уменьшения размерности элементов интегральных схем. Это влечет за собой некоторые сложности, которые стоят перед разработчиком.

В системах с низким напряжением питания и током потребления основная сложность разработки современного ключа заключается в двух нежелательных явлениях — утечка закрытого ключа и падение напряжения на открытом. Преодолеть эти затруднения легче с помощью полевых транзисторов, поскольку у них есть преимущества перед ключами на биполярных транзисторах: малое сопротивление в открытом состоянии, высокое сопротивление в закрытом состоянии, незначительная мощность, потребляемая от источника управляющего сигнала. На рис. 1 изображены классические схемы построения аналоговых ключей на МОП-транзисторах. Верхний уровень напряжения на затворе Uупр является открывающим для таких структур; при подаче нижнего уровня Uупр транзисторы закрыты.

Классические архитектуры аналоговых МОП-ключей

Рис. 1. Классические архитектуры аналоговых МОП-ключей:
а) ключ на одном транзисторе;
б) ключ с использованием комплементарной пары транзисторов;
в) ключ с «плавающим карманом»

Архитектура, представленная на рис. 1а, представляет собой простейший вариант построения ключа, но для коммутации напряжений во всем диапазоне напряжений питания требует дополнительной схемы, создающей повышенное напряжение на затворе в открытом состоянии. Комплементарная пара (рис. 1б) обладает некоторыми отличиями в сравнении с первой архитектурой: при параллельном соединении p‑ и n‑канальных транзисторов сопротивление в открытом состоянии (Rвх) меньше зависит от входного напряжения, если пренебречь влиянием температуры, напряжения питания, а также зависимостью сопротивления в открытом состоянии от входного аналогового напряжения. Третья архитектура (рис. 1в) имеет напряжение на кармане, зависимое от состояния коммутации, что позволяет снизить ток утечки, но повысить входное сопротивление в открытом состоянии, а значит, и напряжение падения на ключе. В идеале следует стремиться к минимизации сопротивления (Rвх) и тока утечки (Iут), что поможет сократить потери в ключе и задержку распространения сигнала. Простое уменьшение Rвх реализуется изменением отношения ширины (W) к длине (L) канала МОП-транзистора, что, в свою очередь, приведет к росту тока утечки закрытого состояния и паразитных емкостей, сужающих рабочую полосу частот ключа [2, 3].

На рис. 2 представлена архитектура предлагаемого ключа. Ключ построен на основе схемы параллельно включенных p‑ и n‑канальных МОП-транзисторов с управляемыми карманами посредством инверторов (VT3–VT4, VT5–VT6) c использованием источников тока (I1, I2).

Аналоговый ключ с управляемым карманом

Рис. 2. Аналоговый ключ с управляемым карманом

На рис. 3 представлена структура p‑ и n‑канальных полевых транзисторов с токами, поясняющими принцип работы схемы, показанной на рис. 2. Главная задача схемы — обеспечить высокую проводимость транзисторов в открытом состоянии и низкую в закрытом. Это осуществляется инвертором Инв.1 на транзисторах VT3 и VT4 c источником тока I1 для транзистора VT1 и инвертором Инв.2 на транзисторах VT5 и VT6 c источником тока I2 для транзистора VT2. Принцип работы левой части схемы диаметрально противоположен правой за исключением тока коммутации и представляет собой следующее. В открытом состоянии на затворе p‑канального транзистора VT1 (рис. 3а) формируется напряжение низкого уровня. Одновременно с этим напряжение на входе инвертора Инв.1 (рис. 2) имеет высокий уровень. Транзистор VT4 переходит в открытое состояние, таким образом появляется ток источника I1, приложенный к выводу кармана транзистора (рис. 3) и дополнительно повышающий проводимость. Высокая проводимость обеспечивается смещением напряжения кармана (Uкарм.) относительно напряжения стока (Uc), истока (Uи). При этом выполняются следующие условия:

Uкарм. < (Uc, Uи),  Uвх > Uвых,

i.I1 >> i.I1,  i.I1  I1.

Структура полевого транзистора, демонстрирующая токи схемы рис. 2

Рис. 3. Структура полевого транзистора, демонстрирующая токи схемы рис. 2:
а) для n канального;
б) p канального типа проводимости

В закрытом состоянии ключа, при формировании напряжения высокого уровня на затворе транзистора VT1, инвертор Инв.1 формирует напряжение высокого уровня, тем самым переводя транзистор VT4 в закрытое состояние и ограничивая ток I1, а транзистор VT3 — в открытое состояние, что снижает проводимость VT1 и уменьшает ток утечки в закрытом состоянии. Предложенная архитектура не может быть использована в технологиях с неизолированным n‑канальным транзистором.

В таблице приведены сравнения основных параметров представленных ключей по результатам моделирования в среде Cadence на моделях транзисторов TSMC 40 нм. Сравниваемые ключи моделировались при одинаковых условиях, общим признаком сравнения была площадь. Общий размер каждого ключа составлял 2000 мкм ширины к 600 нм длины, при равных размерах транзисторов p‑ и n‑типов проводимости. Напряжение питания составляет 3,3 В, ток нагрузки в открытом состоянии задан 10 мА. Токи I1 = I2, эффект снижения проводимости наступает при токах более 10 нА.

Таблица. Сравнения основных параметров представленных аналоговых ключей

Параметр

Uвх, В

Простейший ключ на одном транзисторе (рис. 1а)

Комплементарная пара (рис. 1б)

Комплементарный ключ с «плавающим карманом» (рис. 1в)

Предложенная архитектура ключа с управляемым карманом (рис. 2)

Сопротивление в открытом состоянии Rвх, Ом

3,3

116,4

6,3

25,7

5,7

2

4,6

5,3

11,2

2,3

1,5

1,2

2,4

8

1,7

Ток утечки в закрытом состоянии Iут, нА

3,3

1,3

0,69

1,1

0,69

2

0,34

0,17

0,21

0,17

1,5

0,29

0,12

0,06

0,12

Из таблицы видно, что при использовании всей доступной площади простейший ключ (рис. 1а) имеет наименьшее входное сопротивление при малом Uвх, но при этом наибольший ток утечки в закрытом состоянии. В случае если входное напряжение равно управляющему, сопротивление ключа достигает 116 Ом, при условии Uвх = Uвх применять данный ключ нецелесообразно. Комплементарная пара (рис. 1б) решает проблему ключа на одном n‑канальном транзисторе, также возможно уменьшить ток утечки. Комплементарный ключ с «плавающим карманом» (рис. 1в) имеет малый ток утечки закрытого состояния, входное сопротивление в таком включении значительно увеличится в сравнении с комплементарной парой. Предложенная архитектура ключа с управляемым карманом (рис. 2), построенная на основе комплементарной пары, основывается на ее свойствах (рис. 1б), но обладает меньшим сопротивлением и меньшим током утечки в закрытом состоянии.

Предложенная архитектура отличается преимуществами, позволяющими использовать ее в быстродействующих системах c низким напряжением питания и высокими требованиями к току потребления. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки России (Соглашение № 14.576.21.0064 от 06.11.2014 г.).

Литература
  1. Munir U., Canny D. Selecting the Right CMOS Analog Switch. Elektronikpraxis, 2012.
  2. Волович Г. И. Аналоговые коммутаторы // Схемотехника. 2001. № 5.
  3. Бабаян Р. Р. Аналоговые коммутаторы и ключи / Труды конференция «Технические и программные средства систем управления, контроля измерений». Москва, 2010.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *