Poarta de transmisie este un comutator bilateral constând din tranzistoare NMOS și PMOS controlate de nivele logice aplicate extern.

Comutatorul analogic este un comutator semiconductor care controlează calea de transmisie a semnalelor analogice. Operațiile deschis și închis ale pozițiilor comutatorului sunt de obicei controlate de o anumită rețea logică digitală, cu comutatoare analogice standard disponibile în mai multe stiluri și configurații. De exemplu, configurațiile normal-deschise singure sau duale (NO), sau normal închise (NC), single-pole single-throw (SPST), single-pole double-throw (SPDT), în același mod ca și pentru relee și contacte electromecanice convenționale.

Comutarea și direcționarea semnalelor digitale și analogice (tensiune și curent) pot fi efectuate cu ușurință folosind releele mecanice și contactele lor, dar acestea pot fi lente și costisitoare. Opțiunea evidentă este aceea de a utiliza comutatoare electronice solid-state mult mai rapide, care utilizează porți analogice de semiconductori cu oxizi metalici (MOS) pentru a direcționa curenții de semnal de la intrarea lor la ieșirea lor, cu cel mai cunoscut exemplu comutatorul bilateral CMOS 4016B.

Tehnologia MOS utilizează dispozitive NMOS și PMOS pentru a efectua funcțiile de comutare logică, permițând astfel unui calculator digital sau unui circuit logic să controleze funcționarea acestor switch-uri analogice. Dispozitivele CMOS, în care atât tranzistoarele NMOS cât și cele PMOS sunt fabricate în același circuit poartă, pot trece (condiție închis) sau bloca (condiție deschis) un semnal analogic sau digital, în funcție de nivelul logic digital care îl controlează.

Tipul de comutator solid-state care permite un semnal sau transfer de date în ambele direcții se numește Poartă de transmisie sau TG. Dar, mai întâi, trebuie să luăm în considerare funcționarea unui tranzistor cu efect de câmp, sau FET ca un comutator analogic de bază.

MOSFET-ul ca un întrerupător analogic

Atât tranzistoarele bipolare cu joncțiune (BJT), cât și tranzistoarele cu efect de câmp (FET) pot fi utilizate ca un comutator electronic unipolar într-o mare varietate de aplicații diferite. Principalele avantaje ale tehnologiei MOSFET, asupra tehnologiei dispozitivelor bipolare, este că terminalul său de poartă este izolat de canalul principal de conducție printr-un strat subțire de oxid metalic, iar canalul principal MOSFET folosit pentru comutare este pur rezistiv.

Luați în considerare configurațiile MOSFET (eMOSFET) de îmbunătățire canal-N și canal-P, de bază, de mai jos.

Atunci putem observa că pentru MOSFET de îmbunătățire canal-N (NMOS) și canal-P (PMOS) pentru a funcționa ca un dispozitiv deschis (OFF) sau închis (ON), următoarele condiții trebuie să fie adevărate:

• Un MOSFET canal-N se comportă ca un comutator închis atunci când tensiunea sursă-poartă VGS este mai mare decât tensiunea de prag VT. Adică VGS > VT.

• Un MOSFET canal-N se comportă ca un comutator deschis atunci când tensiunea sursă-poartă VGS este mai mică decât tensiunea de prag VT. Adică VGS < VT.

• Un MOSFET canal-P se comportă ca un comutator închis atunci când tensiunea poartă-drenă VGD este mai mică decât tensiunea de prag VT. Adică VGD < VT.

• Un MOSFET canal-P se comportă ca un comutator deschis atunci când tensiunea poartă-drenă VGD este mai mare decât tensiunea de prag VT. Adică VGD > VT.

Rețineți că tensiunea de prag a MOSFET, VT este tensiunea minimă aplicată terminalului poartă pentru a începe conducția canalului principal dintre terminalele drenă și sursă. De asemenea, deoarece eMOSFET este utilizat în principal ca un dispozitiv de comutare, acesta funcționează în general între regiunile sale de tăiere și saturație, astfel VGS acționează ca o tensiune de control ON/OFF pentru MOSFET.

Comutatorul ideal

Un comutator analogic ideal ar crea o stare de scurtcircuit atunci când este închis și o stare de circuit deschis atunci când este deschis, într-un mod similar cu un întrerupător mecanic.

Dar, comutatoarele analogice solid-state nu sunt ideale, deoarece există întotdeauna unele pierderi asociate canalului de conducție datorită valorii sale rezistive atunci când este ON.

Am dori să credem că dacă am aplicat un semnal la pinul de intrare, acest lucru ar duce la un semnal identic și fără pierderi la pinul de ieșire și invers. Dar, în timp ce comutatoarele CMOS fac porți de transmisie excelente, rezistența lor de stare "ON", RON poate fi de mai mulți ohmi, creând o pierdere de putere I²*R, în timp ce rezistența lor de stare "OFF" poate fi de câteva mii ohmi, permițând să treacă încă prin canal curent de picoamperi.

Cu toate acestea, capacitatea FET-urilor cu semiconductori oxizi metalici complementari de a funcționa ca comutatoare analogice și porți de transmisie rămâne ridicată, iar dispozitivele MOSFET, în special MOSFET de îmbunătățire care necesită o tensiune aplicabilă porții pentru a comuta ON și zero tensiune pentru a-l comuta "OFF", sunt cel mai frecvent utilizate tranzistori de comutare.

Comutatorul NMOS

Tranzistorul semiconductor cu oxid de metal canal-N (NMOS) poate fi folosit ca o poartă de transmisie pentru trecerea semnalelor analogice. Presupunând că terminalele drenă și sursă sunt identice, intrarea este conectată la terminalul drenă și semnalul de comandă la terminalul porții, după cum se arată.

NMOS FET ca un comutator analogic

Când tensiunea de comandă VC pe poartă este zero (LOW), terminalul poartă nu va fi pozitiv raportat la oricare dintre terminalul de intrare (drena) sau terminalul de ieșire (sursa), astfel tranzistorul este în regiunea sa de tăiere iar terminalele de intrare și ieșire sunt izolate fiecare. Deci NMOS acționează ca un comutator deschis, astfel încât orice tensiune la intrare nu va fi trecută la ieșire.

Când există o tensiune de comandă pozitivă +VC la terminalul porții, tranzistorul este comutat "ON" și în regiunea sa de saturație, acționând ca un comutator închis. Dacă tensiunea de intrare, VIN este pozitivă și mai mare decât VC curentul va circula de la terminalul drenă la terminalul sursă, conectând astfel VOUT la VIN.

Dar, dacă VIN devine zero (LOW) în timp ce tensiunea de comandă a porților este încă pozitivă, canalul tranzistorului este încă deschis, dar tensiunea drenă-sursă VDS este zero, deci nu curge curent de drenă prin canal și tensiunea de ieșire este zero.

Prin urmare, atât timp cât tensiunea de control a porții VC este HIGH, tranzistorul NMOS trece tensiunea de intrare la ieșire. Dacă este LOW, tranzistorul NMOS este comutat "OFF" și terminalul de ieșire este deconectat de la intrare. Astfel, tensiunea de control VC la poartă determină dacă tranzistorul este un "deschis" sau "închis" ca un comutator.

O problemă aici cu comutatorul NMOS este că tensiunea poartă-sursă VGS trebuie să fie semnificativ mai mare decât tensiunea de prag a canalului pentru a-l comuta complet ON sau dacă va exista o reducere a tensiunii prin canal. Astfel, dispozitivul NMOS poate transmite doar un nivel "slab" de logic "1" (HIGH), dar un logic "0" (LOW) puternic fără pierderi.

Comutatorul PMOS

Transistorul semiconductor cu oxid de metal canal-P (PMOS) este similar, dar opus în polaritate cu dispozitivul anterior NMOS cu curent care curge în direcția opusă, de la sursă la drenă. Atunci, pentru un dispozitiv PMOS, intrarea este conectată la terminalul Sursă și semnalul de comandă la terminalul porții, după cum se arată.

PMOS FET ca un comutator analogic

Pentru PMOS FET, atunci când tensiunea de comandă VC pe poartă este zero și deci mai negativă în raport cu terminalul de intrare (sursă), sau terminalul de ieșire (drenă), tranzistorul este "ON" și în regiunea sa de saturație acționând ca un comutator închis. Dacă tensiunea de intrare VIN este pozitivă și mai mare decât VC, curentul va curge de la terminalul sursă la terminalul drenă, adică ID curge afară din drenă, conectând astfel VIN la VOUT.

Dacă tensiunea de intrare VIN devine zero (LOW) în timp ce tensiunea de control a porților este încă zero sau negativă, canalul PMOS este încă deschis, dar tensiunea sursă-drenă VSD este zero, astfel încât curentul nu trece prin canal și deci tensiunea la ieșire (drenă) este zero.

Atunci când există o tensiune de comandă pozitivă +VC la terminalul poartă, canalul tranzistorului PMOS este comutat "OFF" și în regiunea sa de tăiere, acționând ca un comutator deschis. Astfel, nici un curent de drenă ID nu curge prin canalul de conducție.

Prin urmare, atât timp cât tensiunea de comandă a porții VC este LOW (sau negativă), tranzistorul PMOS va trece tensiunea de intrare la ieșire. Dacă este HIGH, tranzistorul PMOS este comutat OFF și terminalul de ieșire este deconectat de la intrare. Astfel, ca și cu dispozitivul NMOS anterior, tensiunea de comandă VC la poartă determină dacă tranzistorul este un „deschis“ sau „închis“ ca un comutator.

Problema cu comutatorul PMOS este că tensiunea poartă-sursă VGS trebuie să fie semnificativ mai mică decât tensiunea de prag a canalului pentru a-l opri complet sau curentul va continua să circule prin canal. Astfel, dispozitivul PMOS poate transmite un nivel "1" logic (HIGH) "puternic" fără pierderi, dar un logic "0" (LOW) slab.

Așadar putem vedea că pentru un dispozitiv NMOS o tensiune pozitivă poartă-sursă provoacă curentul să curgă într-o direcție Drain-to-Source, în timp ce pentru dispozitivul PMOS, o tensiune negativă poartă-sursă va avea ca rezultat curgerea curentului în direcția inversă Source-to-Drain.

Dar, dispozitivul NMOS trece doar un "0" puternic, dar un "1" slab, în ​​timp ce dispozitivul PMOS trece un "1" puternic, dar un "0" slab. Atunci, prin combinarea caracteristicilor dispozitivelor NMOS și PMOS, este posibil să se transmită un "0" logic puternic, cât și un "1" logic puternic în ambele direcții, fără nici o degradare. Aceasta formează atunci o poartă de transmisie.

Poarta de transmisie

Conectând dispozitivele PMOS și NMOS împreună, în paralel, putem crea un comutator CMOS bilateral de bază, cunoscut în mod obișnuit ca o "poartă de transmisie". Rețineți că porțile de transmisie sunt destul de diferite de porțile logice CMOS convenționale, deoarece poarta de transmisie este simetrică sau bilaterală, adică intrarea și ieșirea sunt interschimbabile. Această operație bilaterală este prezentată în simbolul porții de transmisie de mai jos, care arată două triunghiuri suprapuse orientate în direcții opuse pentru a indica cele două direcții de semnal.

Poarta de transmisie CMOS

Două tranzistoare MOS sunt conectate spate-în-spate în paralel cu un inversor utilizat între poarta NMOS și PMOS pentru a furniza cele două tensiuni de comandă complementare. Când semnalul de control al intrării VC este LOW, ambele tranzistoare NMOS și PMOS sunt cut-off și comutatorul este deschis. Când VC este mare, ambele dispozitive sunt polarizate în conducție și comutatorul este închis.

Astfel, poarta de transmisie acționează ca un comutator "închis" atunci când VC = 1, în timp ce poarta acționează ca un comutator "deschis" atunci când VC = 0 funcționând ca un comutator controlat cu tensiune. Cerculețul simbolului indică poarta PMOS FET.

Expresia Booleană a porții de transmisie

Ca și în cazul porților logice tradiționale, putem defini funcționarea unei porți de transmisie folosind un tabel de adevăr și o expresie booleană după cum urmează.

Tabelul de adevăr al porții de transmisie

Putem vedea din tabelul de adevăr de mai sus că ieșirea la B se bazează nu numai pe nivelul logic al intrării A, ci și pe nivelul logic prezent pe intrarea de control. Astfel, valoarea nivelului logic a lui B este definită ca A AND Control, care ne dă expresia booleană pentru o poartă de transmisie:

B = A.Control

Deoarece expresia booleană a unei porți de transmisie încorporează funcția logică AND, este posibilă implementarea acestei operații utilizând o poartă AND standard cu 2 intrări, cu o intrare fiind intrarea datelor, în timp ce cealaltă este intrarea de comandă, așa cum este prezentat.

Implementarea porții AND

Un alt punct de luat în considerare despre porțile de transmisie, un singur NMOS sau un singur PMOS pe cont propriu poate fi folosit ca un comutator CMOS, dar combinația celor două tranzistoare în paralel are unele avantaje. Un canal FET este rezistiv, astfel încât rezistențele ON ale ambelor tranzistoare sunt efectiv conectate în paralel.

Deoarece o rezistență-ON a FET este funcție de tensiunea poartă-sursă VGS, când un tranzistor devine mai puțin conductiv din cauza drive-ul poartă, celălalt tranzistor preia și devine mai conductiv. Astfel, valoarea combinată a celor două rezistențe-ON (2 sau 3 Ω) rămâne mai mult sau mai puțin constantă decât ar fi cazul unui singur tranzistor de comutare pe cont propriu.

Se poate demonstra acest lucru în următoarea diagramă.

Rezistența-ON a porții de transmisie

Rezumat Poarta de transmisie

Am văzut aici că prin conectarea unui FET canal-P (PMOS) cu un FET canal-N (NMOS) putem crea un comutator solid-state care este controlat digital folosind tensiuni de nivel logic și este numit în mod obișnuit o "poartă de transmisie".

Transmission Gate, (TG) este un comutator bilateral în care oricare dintre terminalele sale pot fi de intrare sau ieșire. Pe lângă terminalele de intrare și ieșire, poarta de transmisie are o a treia conexiune denumită control, unde intrarea de control determină starea de comutare a porții ca un comutator deschis sau închis (NO/NC).

Această intrare este de obicei acționată de un semnal logic digital care comută între masă (0V) și o tensiune DC stabilită, de obicei VDD. Când intrarea de control este LOW (Cont. = 0), comutatorul este deschis și când intrarea de control este HIGH (Cont. = 1) comutatorul este închis.

Porțile de transmisie acționează ca niște comutatoare controlate de tensiune și fiind comutatoare, porțile de transmisie CMOS pot fi utilizate pentru comutarea atât a semnalelor analogice cât și a celor digitale, trecând întreaga gamă de tensiuni (de la 0V la VDD) în ambele direcții, cu un singur dispozitiv MOS.

Combinația dintre un tranzistor NMOS și un tranzistor PMOS împreună într-o singură poartă înseamnă că tranzistorul NMOS va transfera un "0" logic bun, dar un "1" logic slab, în timp ce tranzistorul PMOS transferă un "1" logic bun, dar un „0“ logic slab. Prin urmare, conectarea unui tranzistor NMOS cu un tranzistor PMOS în paralel realizează un singur comutator bilateral care oferă o capacitate de ieșire eficientă pentru porțile logice CMOS controlate de un singur nivel logic de intrare.