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

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 U_упр является открывающим для таких структур; при подаче нижнего уровня U_упр транзисторы закрыты.

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 (R_вх) 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 (R_вх) и тока утечки (I_ут), что поможет сократить потери в ключе и задержку распространения сигнала. Простое уменьшение R_вх 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).

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 (U_карм.) относительно напряжения стока (U_c), истока (U_и). При этом выполняются следующие условия:

U_карм. < (U_c, U_и),  U_вх > U_вых,

i.I1′ >> i.I1″,  i.I1′ ≈ I1.

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.

Из таблицы видно, что при использовании всей доступной площади простейший ключ (рис. 1а) имеет наименьшее входное сопротивление при малом U_вх, но при этом наибольший ток утечки в закрытом состоянии. В случае если входное напряжение равно управляющему, сопротивление ключа достигает 116 Ом, при условии U_вх = U_вх 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.).