Управление КМОП двухтактными каскадами с помощью логических сигналов, связи по переменному току и заземленных затворов

Несмотря на массовое использование БИС и СБИС в современном электронном проектировании, дискретные MOSFET в классической двухтактной топологии по-прежнему иногда незаменимы. Поэтому советы и рекомендации по эффективному управлению ими с помощью сигналов логического уровня также могут быть полезны, поскольку это может быть «немного» сложно, особенно если задействованы уровни напряжений, отличные от стандартных.

Если (к счастью) это не так, мы получаем Рисунок 1.

Рисунок 1.	Простейший случай управления двухтактным каскадом с помощью логического сигнала – прямое подключение работает, если V++ <= VL.

В том счастливом случае, когда выводы истока двухтактного каскада на полевых транзисторах подключены к положительной и отрицательной шинам, напряжения которых соответствуют логическим уровням, будет достаточно простого прямого соединения (проводом). Все, что нужно для успеха, – это:

1. Уровни напряжения включения/ выключения затвор-исток полевого транзистора находятся в пределах размаха логического сигнала, и
2. Источник логического сигнала имеет достаточную мощность, чтобы справиться с входными емкостями включенных параллельно полевых транзисторов.

Пункт 2 особенно важен, поскольку с ним связан заклятый враг эффективности двухтактного каскада – сквозной ток.

Часто случается, что при открытом состоянии транзистора Q1 и закрытом состоянии Q2 во время перехода в противоположные состояния возникает интервал перекрытия, когда оба транзистора проводят ток. Это называется «сквозным током», и на него тратится энергия, иногда очень много. Чем дольше его продолжительность, тем больше потери. Длительность сквозного тока зависит от времени, необходимого логическому сигналу для завершения перехода 0/1 или 1/0, которое, в свою очередь, зависит от того, сколько времени требуется для заряда и разряда соответствующих входных емкостей затворов. Проблема перекрестной проводимости несколько смягчается тем, что емкость, которая задерживает выключение одного полевого транзистора, также задерживает включение его комплементарного партнера, но скорость по-прежнему важна.

Теперь предположим, что напряжение V⁺⁺ на истоке транзистора Q1 выше, чем V_L. Что будет в этом случае? На Рисунке 2 показано простое решение – связь по переменному току.

Рисунок 2.	Связь по переменному току может решить проблему несоответствия напряжения на положительной шине, если управляющий сигнал подается непрерывно.

Конечно, это простое решение будет работать только в том случае, если можно будет рассчитывать на то, что логический сигнал всегда имеет переменную составляющую. То есть, если только его коэффициент заполнения (DC) никогда не равен 0% (всегда выключено) или 100% (всегда включено): 0% < DC < 100%.Емкость конденсатора C1 должна быть как минимум на порядок больше, чем емкость затвора Q1 (например, 1 нФ). Хотя D1 обычно может быть обычным диодом с p-n переходом (например, 1N4148), диод Шоттки может быть лучшим выбором, если для управления затвором требуется несколько дополнительных сотен милливольт.

Связь по переменному току также может прийти на помощь, если уровень напряжения отрицательной шины двухтактного каскада ниже уровня земли, как показано на Рисунке 3. При этом, разумеется, действуют те же ограничения по коэффициенту заполнения.

Рисунок 3.	То же самое касается связи по переменному току и несоответствия напряжения отрицательной шины.

А что же делать, если коэффициент заполнения не подчиняется правилам, и для определения уровней сигнала мы не можем полагаться на простой диод? Смотрите Рисунок 4.

Рисунок 4.	«Заземленный» затвор транзистора Q3 поддерживает заряд конденсатора C1 при прекращении подачи логического сигнала.

Малосигнальный транзистор Q3 в конфигурации неинвертирующего быстродействующего усилителя с общим затвором передает необходимый установившийся ток транзистору Q1. Выберите сопротивление резистора R2 достаточно низким, чтобы обеспечить протекание максимального ожидаемого тока утечки исток-затвор транзистора Q2 (R2 = 10 кОм обычно является очень консервативным выбором), а затем рассчитайте сопротивление

И, конечно же, как показано на Рисунке 5, тот же трюк работает и для отрицательной шины двухтактного каскада.

Рисунок 5.	Заземленный затвор транзистора Q4 сдвигает уровни логического сигнала к напряжению отрицательной шины.