Caractéristiques du commutateur analogique à TEC

Le commutateur analogique peut être considéré comme un interrupteur à deux états :

- à l'état fermé : le signal analogique présent à l'entrée est transféré en sortie sans aucune modification ;

- à l'état ouvert : l'entrée est totalement isolée de la sortie.

Un schéma fonctionnel est représenté en figure 1 a.

La commutation peut être manuelle, électromécanique ou électronique. Dans ce dernier cas, l'utilisation des transistors à effet de champ (TEC) s'est imposée car ils ne présentent pas de tension de décalage dans leur état passant.

Entrée

---r-

1 1

1 0 - _ _ 1 Commande

Fig. 1a. - Schéma fonctionnel

Jonction 1

Sortie

TEC

Les caractéristique principales du commutateur analo-gique à TEC sont :

la résistance à l'état fermé : RoN ; la résistance à l'état ouvert : RoFF ; les temps de commutation : toN et toFF ;

l'isolation entre signal analogique et commande.

La durée de vie des TEC est supérieure à 100 000 heures et ces caractéristiques doivent rester stables dans le temps. Dans le cas idéal, il faudrait que RoN, toN et toFF soient nuls, RoFF infinie et l'isolation parfaite.

Caractéristiques du commutateur analogique à TEC

Il s'agit des caractéristiques dues au transistor TEC lui-même. Celles qui sont liées à la commande seront étudiées plus loin.

Principe physique

Il existe plusieurs types de TEC comme le montre le schéma de la figure 1 b.

Nous appellerons JTEC le transistor à effet de champ à jonction, MOS celui à grille isolée. Le terme TEC sera utilisé quand la distinction ne sera pas nécessaire. La lettre N ou P devant l'abréviation indiquera la nature du canal.

• TEC

à

jonction (JTEC)

Nous considérons le N-JTEC mais le raisonnement reste valable pour le P-JTEC en inversant le signe des tensions.

La coupe théorique d'un N-JTEC est représentée sur la figure 2 et deux cas de polarisation sur les figures 2b et

c.

Un JTEC fonctionne normalement avec sa jonction P-N polarisée en inverse. On peut ainsi faire varier la largeur de la zone déserte, donc la section de la résistance du canal entre drain et source. La figure 3 montre la carac-téristique courant-tension.

On distingue deux zones : zone 1, dite de non-saturation :

1⁰ = loss ~Ps [2

(1 -

~:s ) _ ~Ps]

- Zone 11, dite de saturation :

Grille isolée

Mode déplétion Mode déplétion Mode enrichissement

S D S D

7-l _T 7 I _T

^{G ~}

~

^B

_~ tf.

^B

_{~~B ~~B}

^{~ D ~ D}

G G

s s ~ s ~ s

Canal N CanalP CanalN CanalP Canal N Canal P

Fig. 1 b. - Différents types de TEC.

PAGE 32 - ELECTRONIQUE APPLICATIONS N° 22

P+

s

Fig. 2. - N-JTEC

lo = loss

(1

-G

D

(a)

\

'

,..

-

^.

La tension VP est la tension Vos qui correspond au pincement du canal pour VGs nulle. Elle est égale et opposée à ^VGsoFF, valeur de VGs nécessaire pour pincer le canal lorsque la tension Vos est proche de zéro.

Le fonctionnement en commutateur analogique se fera dans la zone I où :

Vos _ Ros=

-lo 2 loss (Vp - VGs - V2.s)

La valeur minimum RosoN est obtenue pour Vos très faible (inférieure à 0.4 V) et VGs nulle, soit :

RosoN = Vp - VGSOFF 2 loss - - 2 loss

La valeur maximum RosoFF est obtenue pour VGs

~ - VGsoFF· Notons qu'alors VGs est limitée par la tension de claquage grille-source

BVGss-• TEC à grille isolée (MOS)

Dans ce transistor, la commande de grille est isolée du canal par une fine couche d'oxyde de silicium.

Le MOS à déplétion, dont le fonctionnement est très proche de celui de JTEC, n'est pratiquement pas utilisé dans les commutateurs analogiques et nous ne l'étudie-rons pas.

La figure 4 représente la coupe théorique d'un P-MOS à enrichissement. Nous considérons le P-MOS mais tout le raisonnement reste valable pour le N-MOS en inversant le signe des tensions.

Sans polarisation, ce transistor est bloqué. L'applica-tion d'une tension grille (VGs < O pour le P-MOS) supé-rieure à une tension de seuil va provoquer l'inversion du type de semi-conducteur à l'interface avec l'isolant et la création d'un canal (type P dans notre cas). Alors, l'appli-cation d'une tension drain-source négative va entraîner la diminution de la tension différentielle grille-drain et la diminution de l'épaisseur du canal côté drain.

La figure 5 montre la caractéristique courant-tension.

On distingue deux zones :

- Zone 1, dite de non-saturation : lo =

/3 [

Vos (VGs - VGsTH) - V;_5]

- Zone 11, dite de saturation :

Vos<Vp VGs-o Vos>Vp

---11111

(b)

' VDB=

v. - v • •

, _

:n:

V.= -Voao ..

Fig. 3. - lo

=

f (Vd,J à VGs

=

^este

s

G

S102 N (substrat)

B

Fig. 4. - P-MOS à enrichissement

I

Vos= Va,- VotTH (c)

Va,= OV

v • ., v • .,

v • •

=

v.10 ..

D

I _..,. _ _ _ _ _ _ _ _ _ v ...

I

0

Fig. 5. - lo

=

^f(VosJ à VGs

=

^este

n

Vau

v ...

Voa= Vonw Vos

ELECTRONIQUE APPLICATIONS N° 22- PAGE 33

/3

est une constante liée au composant, VGsTH est la tension de seuil qui correspond au début de l'inversion.

Le fonctionnement en commutateur analogique se fera dans la zone I où :

Ros=

~ = { ^/3

[(VGs-VGSTH)-

1~ n - l

La valeur minimum RosoN est obtenue pour les faibles tensions V os, soit :

RosoN

= _/3

(VGs - VGsrHl

Elle est fonction de la tension grille-source et diminue quand VGs augmente. La valeur maximum RosoFF est obte-nue pour VGs nulle (ou inférieure à

VGsrHl-Dans tous les cas, les diodes source-substrat et drain-substrat doivent être bloquées et le drain-substrat porté au potentiel le plus positif dans le cas du P-MOS. Certains MOS sont protégés d'origine par une diode Zener entre grille et substrat. Notons que la tension de seuil peut dériver à haute température s'il y a trop d'impureté dans l'isolant.

Caractéristiques électriques

• Résistance

à

l'état passant

Elle dépend des dimensions physiques du canal, de la concentration et de la mobilité des porteurs de charge dans le canal. Elle est plus faible pour un canal N que pour un canal P à conditions identiques car les trous sont moins mobiles que les électrons (µp

<

µ").

- Cas du JTEC: la résistance RoN est faible (typique-ment 25-30 Q à 25 °C) et constante. Elle augmente avec la température de 0, 7 % /°C (car la mobilité des porteurs diminue et prime aux faibles tensions Vos sur la diminu-tion de secdiminu-tion du canal). Elle croît aussi avec la tension de pincement, cette dernière variant avec la température de 2,2 mV /°C.

- Cas du MOS : la résistance RoN est plus élevée que celle du JTEC car le canal est moins épais (typiquement 100 Q à 25 °C). Elle est inversement proportionnelle à la tension grille-source et pour une tension grille fixée, elle sera modulée par le signal analogique présent sur la source. Elle augmente avec la température de 0,4 % /°C et toute variation de la tension de seuil l'entraînera dans une variation de même sens. Notons que la tension de seuil diminue quand la température augmente (2, 7 mV /°C) et croît avec la tension source-substrat.

L'effet de modulation peut être pratiquement

sup-(a) N-JTEC

-

IDG ^{D lc(otf)}

los{otf)

G

rDS (off)

!

,.ISG

s

Fig. 6. - Schéma équivalent en BF du TEC bloqué.

PAGE 34 - ELECTRONIQUE APPLICATIONS N° 22

primé par l'association en parallèle d'un P-MOS et d'un N-MOS dont les variations de RoN sont opposées. Cette technologie d'association nommée C-MOS (MOS complé-mentaires) possède donc une résistance RoN constante vis-à-vis du signal analogique.

• Tension de décalage

Elle est pratiquement négligeable et due au courant de fuite à travers la résistance RoN ; courant de fuite grille pour le JTEC et courant à travers le substrat pour le MOS. Elle augmente légèrement avec la tempêl'ilture (du nanovolt à 25 °C au microvolt à 150 °C).

• Résistance et courants de fuite

à

l'état bloqué

La résistance à l'état bloqué RoFF est très élevée (typi-quement 10¹⁰ à 10¹² Q) et les fuites sont dues principale-ment aux courants de fuite drain et source. La figure 6 montre le schéma équivalent en basse fréquence du TEC bloqué.

Le paramètre losoFF, inférieur au picoampère, est négli-geable. loG, lsG, 108 et Isa sont faibles ( 1 O-⁹ à 10-^{12 A)} ; ils varient comme la racine carrée de la tension appliquée mais augmentent avec la température en doublant tous les 10 °C. Si le commutateur est un MOS « protégé », se rajoute le courant de fuite grille-substrat (circuit pointillé de la fig. 6b).

• Capacités parasites

La figure 7 représente les circuits équivalents du TEC en alternatif.

- Cas du JTEC : nous négligeons les résistances source-grille et drain-grille car leurs valeurs sont très grandes devant les impédances des capacités en paral-lèle. Les constructeurs donnent :

C,ss = CGs

+

CGo et

Coss = Cos

+

CGo

=

CGo = CRss

Notons que CGs

=

^{CGo (5 à 10} pF) et Cos

«

^{GGs et}

CGO·

- Cas du MOS : la capacité grille-substrat joue le même rôle que la capacité grille-canal du JTEC. On note que Csa

=

^{Coa (4 à 6} pF). La capacité grille-canal très faible à l'état bloqué augmente à l'état passant et peut transmettre ainsi les transitoires de commande.

Dans les deux cas, les capacités augmentent avec la température et la racine carrée de la tension appliquée.

Notons que, pour obtenir de faibles capacités, il faut un

(b) P-MOS

Vo

los (ott)

'os

"G v,

,____Q__j

-

! -l

^{rDS (off)}

!

: -~t ^t

1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ...J 5 1

ss

ls (off) V5

TEC de petites dimensions dqnc à résistance RoN élevée.

Un compromis sera donc nécessaire.

L'influence des capacités sur les temps de commuta-tion doit s'apprécier globalement avec le circuit de com-mande et la valeur de la charge.

• Courant maximum

Les équations du paragraphe précédent indiquent que ce courant est au makimum égal au courant de saturation loss correspondant à lune tension grille-source nulle pour le JTEC. On a ainsi une auto-limitation du courant. Notons qu'il augmente avec la tension de pincement.

Pour ie MOS, les équations montrent qu'il n'est limité que par là puissance maximale dissipable ou la tension de claquage grille. Il sera donc limité extérieurement. Pour tous les TEC, le courant diminue quand là température augmente.

• Tension maximum

La tension maximum est limitée par la tension de claquage grille-canal ou drain-source. Pour le JTEC, ce claq'uag·e est dû au phénomène d'avalanche entre grille et source et correspond à BVGss (30 à 100 V). Pour le MOS, c· ést le claquage par avalanche entre canal et substrat qui réd_uit la tension drain-source maximale à BV₀₅₅ (envi-ron 30 V, mais certains MOS supportent 80 V). Si le MOS est protégé, il faut tenir compte de la tension de claquage grille-substrat BVGes (30 à 40 V).

Types de commutateur

On distinguera trois familles selon le transistor utilisé.

- Commutateur à JTEC : la résistance RoN est faible et constante vis-'-à-vis du signal analogique, le courant

s

'

LSG T

JTÈC

Fig. la. - JTEC

Ros

q;J

Cos

Fig. 8. - Commande par résistance

0

1~ T

maximum limité à 1₀₅₅• L'intégration est peu courante mais le coût est faible.

- Commutatèür à MOS : la résistance RoN. est plus élevée ët variable vis-à-vis du signal analogique d'où distorsion du signal de sortie. L'intégration est aisée.

- Commutateur à C-MOS : la résistance RoN est du même ordre que celle du MOS mais est cohstante vis-à-vis du signal analogique. Il est pratiquement toujours intégré.

Dans le document de développement à très faible coût (Page 32-35)