NMOS和PMOS晶体管组成的传输门

发表于 2019-06-22 10:17:44 收藏 已收藏
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NMOS和PMOS晶体管组成的传输门

发表于 2019-06-22 10:17:44
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传输门是由外部施加的逻辑电平控制的NMOS和PMOS晶体管组成的双向开关

模拟开关是控制模拟信号传输路径的固态半导体开关。开关位置的打开和关闭操作通常由一些数字逻辑网络控制,标准模拟开关可用于多种类型和配置。例如,单或双常开(NO)或常闭(NC),单刀单掷(SPST),单刀,双掷(SPDT)配置等,与传统机电一样继电器和触点。

数字和模拟信号(电压和电流)的切换和布线可以使用机械继电器及其触点轻松完成,但这些可能很慢且成本高昂。显而易见的选择是使用速度更快的固态电子开关,其使用金属氧化物半导体(MOS)模拟门将信号电流从其输入路由到其输出,众所周知的CMOS 4016B双向开关是最常见的例子。

MOS技术使用NMOS和PMOS器件来执行逻辑开关功能,从而允许数字计算机或逻辑电路控制这些模拟开关的操作。 CMOS和PMOS晶体管制造在同一门电路中的CMOS器件可以通过(闭合条件)或阻断(开路)模拟或数字信号,具体取决于控制它的数字逻辑电平。

允许双向信号或数据传输的固态开关类型称为传输门或TG。但首先考虑将场效应晶体管或FET作为基本模拟开关的操作。

MOSFET作为模拟开关

两个双极结型晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)可用作各种不同应用中的单极电子开关。与双极器件相比,MOSFET或金属氧化物半导体FET技术的主要优点是其栅极端子通过薄金属氧化物层与主导电沟道绝缘,并且用于开关的主MOSFET沟道是纯电阻性的。

考虑下面的基本N沟道和P沟道增强MOSFET(eMOSFET)配置。

MOSFET作为开关

然后我们可以看到,对于n沟道(NMOS)和p沟道(PMOS)增强型MOSFET,它可以作为开路(OFF)或闭路(ON)工作)器件必须满足下列条件:

当栅极 - 源极电压V GS 时,N沟道MOSFET的行为类似于闭合开关大于阈值电压V T 。即V GS > V T

当栅极 - 源极电压V GS时,N沟道MOSFET的行为类似于开路开关小于阈值电压V T 。即V GS T

当栅极 - 漏极电压V GD时,P沟道MOSFET的行为类似于闭合开关小于阈值电压V T 。即V GD T

当栅极 - 漏极电压V GD时,P沟道MOSFET的行为类似于开路开关大于阈值电压V T 。即V GD > V T

注意MOSFET 阈值电压,V T 是施加到漏极和源极端子之间的主沟道的栅极端子以开始导通的最小电压。此外,由于eMOSFET主要用作开关器件,因此它通常在其截止和饱和区域之间工作,因此V GS 用作MOSFET的ON / OFF控制电压。

理想开关

理想的模拟开关在关闭时会产生短路状态,在打开时会产生开路状态,以类似于机械开关的方式。

然而,固态模拟开关并不理想,因为导通时总是有一些损耗,因为它在导通时会产生电阻值。

我们想如果我们应用了一个信号对于其输入引脚,这将导致信号相同且输出引脚没有损耗,反之亦然。然而,虽然CMOS开关的确具有出色的传输门,但它们的“导通”状态电阻R ON 可能是几欧姆,从而产生I 2 * R功率损耗,而它们的“ OFF“状态电阻可以是几千欧姆,允许微微安培的电流仍然流过通道。

然而,互补金属氧化物半导体FET作为模拟开关和传输门执行的能力仍然很高,和MOSFET器件,特别是增强型MOSFET,它需要一个电压施加到栅极使其“导通”,零电压使其“关断”是最常用的开关晶体管。

NMOS开关

N沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管可用作传输模拟信号的传输门。假设漏极和源极端子相同,输入连接到漏极端子,控制信号连接到栅极端子,如图所示。

NMOS FET作为模拟开关

当栅极上的控制电压V C 为零(LOW)时,栅极端子不会相对于输入端子(漏极)或输出端子(源极)为正,因此晶体管处于其截止区域,并且输入和输出端子与每个晶体管隔离。然后NMOS作为一个开路开关,因此输入端的任何电压都不会传递到输出端。

当栅极端子上有一个正控制电压+ V C 时,晶体管被“接通”并且在其饱和区域中充当闭合开关。如果输入电压V IN 为正且大于V C ,电流将从漏极端子流向源极端子,从而连接V OUT 到V IN 。

然而,如果V IN 变为零(LOW),而栅极控制电压仍为正,则晶体管通道仍然打开但漏极 - 源极电压V DS 为零,因此没有漏极电流流过沟道,因此输出电压为零。

因此,只要栅极控制电压V C 为高电平,NMOS晶体管将输入电压传递给输出端。如果为低电平,则NMOS晶体管变为“OFF”,输出端子与输入断开。因此,栅极处的控制电压V C 确定晶体管是“开路”还是“闭合”作为开关。

这里的NMOS开关的一个问题是栅极 - 源极电压V GS 必须明显大于沟道阈值电压才能使其完全导通,否则将通过沟道降低电压。因此,NMOS器件只能发送“弱”逻辑“1”(高电平)但强逻辑“0”(低电平)而不会丢失。

PMOS开关

P沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管类似但极性与先前的NMOS器件相反,其中电流从源极到漏极以相反的方向流动。然后对于PMOS器件,输入连接到源极端子,控制信号连接到栅极端子,如图所示。

PMOS FET作为开关

对于PMOS FET,当栅极上的控制电压V C 为零时,因此相对于任一输入端子(源极)或输出端(漏极),晶体管为“ON”,其饱和区域用作闭合开关。如果输入电压V IN 为正且大于V C ,电流将从源极端子流向漏极端子,即I D 流出漏极,从而将V IN 连接到V OUT 。

如果输入电压V IN 变为当栅极控制电压仍为零或负时,零(LOW),PMOS通道仍然打开,但源极 - 漏极电压V SD 为零,因此没有电流流过通道因此输出(漏极)的电压为零。

当栅极端子有正控制电压+ V C 时,PMOS晶体管的沟道变为“关闭“并在其截止区域充当开关。因此,没有漏极电流I D 流过导电沟道。

因此,只要栅极控制电压V C 为低电平(或负极),PMOS晶体管将输入电压传递给输出。如果为高电平,则PMOS晶体管变为“OFF”,输出端子与输入断开。因此,与先前的NMOS器件一样,栅极处的控制电压V C 确定晶体管是“开路”还是“闭合”作为开关。

问题使用PMOS开关时,栅极 - 源极电压V GS 必须明显小于通道阈值电压才能将其完全关闭,否则电流仍会流经通道。因此,PMOS器件可以无损耗地传输“强”逻辑“1”(高电平)电平,但可以传输弱逻辑“0”(低电平)。

因此我们可以看到,对于NMOS器件,正门 - 源电压使电流从漏极到源极一个方向流动,而对于PMOS器件,负栅极 - 源极电压将导致电流从源极到漏极反向流动。 / p>

然而,NMOS器件仅传递强“0”而弱“1”,而PMOS器件传递强“1”但弱“0”。因此,通过组合NMOS和PMOS器件的特性,可以在任一方向上传输强逻辑“0”或强逻辑“1”值而没有任何劣化。然后形成传输门的基础。

传输门

将PMOS和NMOS器件并联连接在一起我们可以创建一个基本的双边CMOS开关,通常称为“传输门”。注意,传输门与传统的CMOS逻辑门完全不同,因为传输门是对称的,或双边的,即输入和输出是可互换的。这个双边操作显示在下面的传输门符号中,它显示了两个指向相反方向的叠加三角形,表示两个信号方向。

CMOS传输门

两个MOS晶体管与NMOS和PMOS的栅极之间使用的反相器并联连接,以提供两个互补的控制电压。当输入控制信号V C 为低电平时,NMOS和PMOS晶体管都截止,开关打开。当V C 为高电平时,两个器件都被偏置为导通,开关闭合。

因此当V C <时,传输门充当“闭合”开关/ sub> = 1,而当V C = 0作为电压控制开关工作时,门用作“开路”开关。指示PMOS FET栅极的符号气泡。

传输门布尔表达式

与传统逻辑门一样,我们可以使用真值来定义传输门的操作表和布尔表达式如下。

传输门真值表

符号 真值表

传输门
Control A B
1 0 0
1 1 1
0 0 高阻
0 1 Hi-Z
布尔表达式B = A.Control 读为AAND续。给出B

从上面的真值表我们可以看出,B处的输出不仅依赖于输入A的逻辑电平,还依赖于存在的逻辑电平。控制输入。因此,B的逻辑电平值被定义为A AND Control,它给出了传输门的布尔表达式:

B = A.Control

由于传输门的布尔表达式包含逻辑AND功能,因此可以使用标准的2输入AND门实现此操作,其中一个输入是数据输入,而另一个是控制输入,如图所示。

和门实现

关于传输门,单个NMOS或其他两个要考虑的问题单个PMOS本身可以用作CMOS开关,但两个晶体管并联的组合具有一些优点。 FET沟道是电阻性的,因此两个晶体管的导通电阻有效地并联连接。

作为FET导通电阻是栅极 - 源极电压的函数,V GS ,当一个晶体管由于栅极驱动而变得较不导通时,另一个晶体管接管并变得更导通。因此,两个导通电阻(低至2或3Ω)的组合值与单个开关晶体管本身的情况相比或多或少保持不变。

何时可以证明这一点下图。

传输门导通电阻

传输门总结

我们在这里看到连接P沟道FET(PMOS)和N沟道FET(NMOS),我们可以创建一个固态开关,使用逻辑电平电压进行数字控制,通常称为“传输”门“。

传输门,(TG)是双向开关,其中任何一个端子都可以是输入或输出。除输入和输出端子外,传输门还有一个称为控制的第三个连接,其中控制输入将门的开关状态确定为开路或闭路(NO / NC)开关。

此输入通常由数字逻辑信号驱动,该信号在地(0V)和设定的直流电压(通常为VDD)之间切换。当控制输入为低电平(控制= 0)时,开关打开,当控制输入为高电平(控制= 1)时,开关闭合。

传输门的作用类似于电压控制开关,作为开关,CMOS传输门可用于切换通过全范围电压(从0V到V DD )的模拟和数字信号。任何方向,如单个MOS器件所讨论的那样。

在单个栅极内将NMOS和PMOS晶体管组合在一起意味着NMOS晶体管将传输良好的逻辑“0”但是差的逻辑“1”,而PMOS晶体管传输良好的逻辑“1”但是逻辑“0”。因此,将NMOS晶体管与PMOS晶体管并联连接可提供单个双向开关,为单个输入逻辑电平控制的CMOS逻辑门提供高效的输出驱动能力。

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