Welche Vorteile kapazitiv gekoppelte MOSFET-Relais bieten

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Eigenschaften von Low CxR MOSFETs

Bei allen LowCxR-Relais übernehmen ausgangsseitig, wie bereits erwähnt, zwei DMOSFETs die eigentliche Schaltfunktion. Jeder DMOSFET definiert sich über einen Ausgangswiderstand und eine Ausgangskapazität. Die Lastseite kann durch ein einfaches Ersatzschaltbild (ESB) beschrieben werden, wobei dem Lastwiderstand R_L zunächst keine Aufmerksamkeit geschenkt wird (Bild 2).

Der Ausgangswiderstand R_out übernimmt dabei die eigentliche Schaltfunktion. Ohne Ansteuerung des Transistors hat dieser Widerstand einen typischen Wert im Bereich von mehreren GΩ.

Sobald die Ansteuerung am Gate erfolgt, geht dieser Widerstand abrupt in einen niederohmigen Zustand über und sinkt je nach Type auf wenige mΩ.

Zur näheren Erläuterung der Ausgangskapazität gibt Bild 3 einen detaillierten Einblick in das Ersatzschaltbild eines MOSFETs mit parasitären Kapazitäten.

Die Ausgangskapazität C_out bestimmt somit die Kapazität zwischen Drain und Source bei kurzgeschlossenem Eingang und berechnet sich aus den parasitären Kapazitäten nach Gleichung 1.

C_out = ½*(C_DS+C_DG*C_GS/C_DG+C_GS) C_out≈ ½*(C_DS+C_DG) (Gl. 1).

Zur Realisierung von „Low C×R“-MOSFETs mit niedriger Ausgangskapazität C_out sind demnach die Drain-Source- und die Drain-Gate-Kapazitäten (C_DS und C_DG) möglichst klein zu halten. Dies wird erreicht durch ein optimiertes Design der MOSFET-Strukturen. Vergleicht man die typischen Kenndaten von Standard- und „Low C×R“-MOSFETs, liegt die Ausgangskapazität der „Low C×R“-Typen im Bereich von wenigen pF, im Gegensatz zu Standard MOSFETs, die je nach Type bis zu einige µF aufweisen.

Die Ausgangskapazität beeinflusst maßgeblich das Frequenzverhalten des Transistors. Zur näheren Erklärung dieses Zusammenhangs sei auf die Übertragungsfunktion A(jω) gemäß dem Ersatzschaltbild in Bild 2 unter Berücksichtigung des Lastwiderstands R_L verwiesen. Zur Berechnung verwendet man die Spannungsteilerformel in komplexer Schreibweise. Als Ergebnis erhält man die Übertragungsfunktion, die nachfolgend in Gleichung 2 dargestellt ist.

Betrachtet man den Fall eines nicht angesteuerten MOSFETs, wobei gilt R_out >>> R_L und somit ω_g2 >>> ω_gl erkennt man, dass die Isolationseigenschaft des Bauteils mit zunehmender Frequenz abnimmt. Mit anderen Worten: Der Leckstrom nimmt zu.

Somit verhält sich die Übertragungsfunktion ähnlich einem Hochpass erster Ordnung, wodurch hohe Frequenzen unverändert übertragen werden und lediglich bei tiefen Frequenzen eine Abschwächung erfolgt. In den Datenblättern der „Low C×R“-MOSFET-Relais werden diese Eigenschaften im Detail spezifiziert (siehe exemplarisch Isolationseigenschaften in Bild 4).

Allgemein gilt: Je größer das Produkt aus Ausgangskapazität C_out und Ausgangswiderstand R_out des Transistors ist, desto schlechter sind die Isolationseigenschaften hin zu höheren Frequenzen.

Beim Design der MOSFET-Transistoren sind Widerstand und Kapazität jedoch gegenläufig – je geringer der Übergangswiderstand ist, desto höher ist der Kapazitätswert. Aus diesem Grund haben die „Low CxR“-MOSFETs ein optimiertes (weil geringes) Produkt aus C und R.

Um für jede Applikation das optimale Bauteil anzubieten, hat Panasonic Electric Works sowohl Widerstands-optimierte „R“ Typen (min. 1 Ω) als auch Kapazitäts-optimierte „C“ Typen (min. 1 pF) im Portfolio. In beiden Fällen weisen die MOSFETs ein sehr geringes CxR-Produkt auf.

Bisher verfügbar sind die „LowCxR“-PhotoMOS (optisch gekoppelt) in verschiedenen SMD-Bauformen vom SO- oder SSO-Gehäuse bis hin zu den kompakten SON- und VSSO-Bauformen mit integriertem Leadframe.

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