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

Радиолоцман №3-4/2024, ст. 45

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.

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. Конечно, это простое решение будет рабо­тать только в том случае, если можно будет рассчитывать на то, что логический сигнал всегда имеет переменную составляющую. Тоесть, 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. А что же делать, если коэффициент заползапол­нения не подчиняется правилам, и для определения уровней сигнала мы не можем пола­гаться на простой диод? Смотрите Рисунок 4.

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.