КМОП переключатели и их применение

Электронные устройства

КМОП-переключатели выполняются на основе полевых транзисторов разной проводимости. По своей сути это примерно те-же самые цифровые микросхемы КМОП- структуры, однако у них возможности чуть шире.

В качестве примера структуры КМОП переключателя ниже представлен рисунок.

Как видим- здесь все устроено так, что один и тот-же сигнал управляет сразу двумя транзисторами с разными каналами. Если на входе будет логическая единица, то верхний (на рисунке) транзистор откроется и на выходе появится сигнал, равный напряжению питания. Нижний транзистор в это время будет закрыт. Если на входе устройства будет логическая единица, то будет открыт нижний транзистор. То есть на выходе устройства не просто ничего не будет- он даже «заземлится».

Эти разновидности переключателей могут работать и с двух-полярным напряжением, и с аналоговым сигналом.

Это все открывает довольно широкие возможности для практического применения КМОП- переключателей: можно, к примеру, управлять напряжением питания различных узлов изделия, или коммутировать аудиовходы.

КМОП-переключатели могут выполняться и в виде отдельных радиоэлементов, однако их чаще всего объединяют в готовые изделия- микросхемы.

Радиолюбительские эксперименты показывают, что электронные переключатели, входящие в состав микросхем К176КТ1. К561КТЗ. 564КТЗ и КР1561КТЗ [1; 2], являются универсальными элементами, позволяющими использовать их в различных функциональных узлах — инверторах, повторителях сигнала и др. На основе этих переключателей можно строить генераторы прямоугольных импульсов, RS-триггеры, а также триггеры Шмитта с регулируемой шириной «гистерезиса».

Пример использования аналогового переключателя в качестве инвертора показан на схеме рис. 1. Когда на вход управления С подан Сигнал низкого уровня, переключатель находится в состоянии Z и на его выходе В присутствует сигнал высокого уровня благодаря наличию резистора R1. При подаче на вход С высокого уровня вход А. на котором фиксирован низкий уровень, соединяется с выходом В. Поэтому на выходе также будет нулевой сигнал. Таким образом, по отношению к входу С устройство работает как инвертор.

Собрать инвертор можно на любом из четырех переключателей, составляющих микросхему. Кроме К561КТЗ. в этом и других узлах, описанных ниже, можно использовать микросхемы К176КТ1. 564КТЗ. КР1561КТЗ.

На рис. 2 показана схема повторителя сигнала. Когда на входе С подан сигнал низкого уровня, переключатель DA1.1 находится в состоянии Z, на выходе — сигнал низкого уровня благодаря резистору R1. Когда на входе С низкий уровень сменяется высоким, «контакты» переключателя замыкаются и со входа А на его выход В поступает высокий уровень. То есть по отношению к сигналу на входе С узел работает как повторитель.

Необходимо отметить, что передаточная характеристика у инвертора и повторителя напряжения на аналоговых переключателях довольно плавная, что необходимо учитывать при проектировании устройств с их использованием.

Пример построения генератора прямоугольных импульсов на основе аналоговых переключателей представлен на схеме рис. 3. Переключатель DA1.1 работает в качестве повторителя, a DA1.2 — инвертора. В начальный момент после включения питания конденсатор С1 разряжен, оба переключателя закрыты. Образуется цепь зарядки конденсатора С1: плюсовой провод питания — R3 — R2 — C1 — R1 — общий провод. Как только напряжение на входе С переключателя DA1.1 достигнет порога его включения, он откроется, а вслед за ним откроется и переключатель DA1.2.

Теперь конденсатор С1 начинает разряжаться через резисторы R1, R2 и сопротивление открытого переключателя DA1.2. При соблюдении условий R1«R2: R3 « R2; Uпит = const экспериментально было установлено, что период колебаний зависит от номиналов элементов R2 и С1 следующим образом: если Uпит = 5 В. то Т = 0.6 R2-C1; 10 В —0,5 R2-C1; 15 В-0.4 R2-C1.

На аналоговых переключателях возможно построить и RS-триггер (рис. 4) Предположим, что триггер находится в нулевом состоянии (Q=0, Q=1). переключатель DA1.1 закрыт (на его входе С присутствует низкий уровень), a DA1.2 открыт (на входе С — высокий уровень).

При нажатии на кнопку SB2 «S» на вход С переключателя DA1.2 поступает напряжение низкого уровня и он закрывается, а на выходе Q триггера появляется единичное напряжение. Переключатель DA1.1 открывает единичное напряжение на входе С. и выход Q переходит в нулевое состояние.

Аналогичным образом при нажатии на кнопку SB1 «R» переключатель DA1.1 закрывается и выход Q переходит в единичное состояние. Переключатель DA1.2 открывается единичным напряжением на входе С. и на выходе Q действует нулевое напряжение.

Пример построения триггера Шмитта показан на схеме рис. 5. Здесь переключатель DA1.1 работает повторителем напряжения. Выбором соответствующих значений сопротивления резисторов R1— R4 можно задавать верхний Uв и нижний U.. пороги переключения триггера. Пороговые значения напряжения можно определить по приближенным зависимостям (сопротивлением сигнального канала открытого переключателя и падением напряжения на открытом диоде пренебрегаем)

Обычно принимают сопротивление резистора R1 в пределах от 10 до 50 кОм. R2 и R3 — от 0.1 до 1 МОм [3].

При использовании аналоговых переключателей следует иметь в виду, что их сопротивление в открытом состоянии зависит от напряжения питания. Колебания напряжения питания приводят к соответствующим изменениям частоты генерируемых импульсов, а также порогов срабатывания триггера Шмитта.

В. ОЛЕЙНИК, г. Королев Московской обл.

ЛИТЕРАТУРА
1. Пухальский Г. И., Новосельцева Т. Я.
Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах (справочник). — м Радио и связь. 1990. с. 109. 110.
2. Бирюков С. А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах (второе изд.). — М.- Радио и связь. 1996. с. 81—83.
3. Зельдин Е. А. Импульсные устройства на микросхемах. — М.: Радио и связь. 1991. с. 30.31.