NMOS和PMOS组成的传输门

来源:KIA半导体发布时间:2023-03-2413455浏览

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传输门是一个双向开关，由外部施加的逻辑电平控制的NMOS和PMOS晶体管组成。

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，标准的模拟开关具有多种样式和配置。

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，与常规机电方式大致相同继电器和触点。

使用机械继电器及其触点可以轻松地完成数字和模拟信号（电压和电流）的切换和路由，但是它们的速度慢且成本高。

显而易见的选择是使用作用更快的固态电子开关，该开关使用金属氧化物半导体（MOS）模拟门将信号电流从其输入传递到其输出，最著名的示例是CMOS4016B双向开关。

MOS技术同时使用NMOS和PMOS器件来执行逻辑开关功能，因此允许数字计算机或逻辑电路控制这些模拟开关的操作。

将NMOS和PMOS晶体管都制造到同一门电路中的CMOS器件，可以根据控制它的数字逻辑电平来传递（闭合条件）或阻止（断开条件）模拟或数字信号。

允许双向信号或数据传输的固态开关的类型称为传输门（TG）。但是首先让我们考虑将场效应晶体管或FET作为基本模拟开关的操作。

MOSFET作为开关

n沟道（NMOS）和p沟道（PMOS）增强MOSFET作为开路（OFF）或闭路（ON）器件工作，必须满足以下条件：

当栅极-源极电压V GS大于阈值电压V T时，N沟道MOSFET表现为闭合开关。即V GS > V T

当栅极-源极电压V GS小于阈值电压V T时，N沟道MOSFET的行为类似于断开开关。即V GS<V T

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

当栅极漏极电压V GD大于阈值电压V T时，P沟道MOSFET的行为就像开路开关。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。

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。

如果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。

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，允许皮安电流仍然流经通道。

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，MOSFET器件，特别是增强型MOSFET，需要向门施加电压以使其导通并实现零电压将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（低）时，栅极端子相对于输入端子（漏极）或输出端子（源极）都不为正，因此晶体管处于截止区域输入和输出端子彼此隔离。然后，NMOS充当断开开关，因此输入端的任何电压都不会传递到输出端。

当栅极端有一个正控制电压+ V C时，该晶体管将变为“ ON”，并在其饱和区域充当闭合开关。如果输入电压V IN为正且大于V C，电流将从漏极端子流至源极端子，从而将V OUT连接至V IN。

但是，如果在栅极控制电压仍为正时V IN变为零（低电平），则晶体管通道仍处于开路状态，但漏极至源极电压V DS为零，因此没有漏极电流流经该通道，因此没有输出电流电压为零。

因此，只要栅极控制电压V C为高电平，NMOS晶体管就会将输入电压传递到输出。如果为LOW，则NMOS晶体管变为“ OFF”，并且输出端子与输入断开。因此，栅极处的控制电压V C决定晶体管是作为开关的“断开”还是“闭合”。

NMOS开关的一个问题是栅极至源极电压V GS必须显着大于通道阈值电压才能完全导通，否则通过通道的电压将降低。因此，NMOS器件只能发送“弱”逻辑“ 1”（高）电平，而发送强逻辑“ 0”（低）而不会丢失。

PMOS开关

PMOS晶体管与以前的NMOS器件相似但极性相反，电流从源极到漏极以相反的方向流动。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，因此相对于输入端子（源极）或输出端子（漏极）而言为负时，晶体管处于“ ON”状态且处于其饱和区域充当闭合开关。

如果输入电压V IN为正，并且大于V C的电流将从源极端子流向漏极端子，即I D从漏极流出，从而将V IN连接至V OUT。

如果输入电压V IN变为零（LOW），而栅极控制电压仍为零或为负，则PMOS通道仍处于开路状态，但源漏电压V SD为零，因此没有电流流过该通道因此输出（漏极）上的电压为零。

当栅极端有一个正控制电压+ V C时，PMOS晶体管的沟道将变为“ OFF”，并在其截止区域中充当开路开关。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（或负），PMOS晶体管就会将输入电压传递到输出。如果为高电平，则PMOS晶体管变为“ OFF”，并且输出端子与输入断开。因此，与先前的NMOS器件一样，栅极的控制电压V C确定晶体管作为开关是“断开”还是“闭合”。

PMOS开关的问题在于栅极至源极电压V GS必须显着小于通道阈值电压才能将其完全关断，否则电流仍将流过通道。因此，PMOS器件可以无损失地发送“强”逻辑“ 1”（高）电平，而发送弱逻辑“ 0”（低）。

因此，我们可以看到，对于NMOS器件，正的栅极至源极电压会使电流从漏极至源极沿一个方向流动，而对于PMOS器件，负的栅极至源极电压将导致电流流动。从源极到漏极的相反方向。

但是，NMOS设备仅通过强“ 0”但通过弱“ 1”，而PMOS设备通过强“ 1”但通过弱“ 0”。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。这样就构成了传输门的基础。

传输门

将PMOS和NMOS器件并联连接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 = 1时，传输门充当“闭合”开关，而当V C = 0作为电压控制开关工作时，门用作“打开”开关。符号的气泡表示PMOS FET的栅极。

传输门布尔表达式

与传统逻辑门一样，可以使用真值表和布尔表达式来定义传输门的操作。

可以看出，B的输出不仅依赖于输入A的逻辑电平，还依赖于控制输入上存在的逻辑电平。因此，将B的逻辑电平值定义为A AND Control，从而提供了以下传输门的布尔表达式：

B = A.Control

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。

与门实施

关于传输门

可以将一个NMOS或一个PMOS单独用作CMOS开关，但是将两个晶体管并联使用具有一些优势。FET通道是电阻性的，因此两个晶体管的导通电阻有效地并联连接。

由于FET的导通电阻是栅极至源极电压V GS的函数，随着一个晶体管由于栅极驱动而变得导通较少，另一晶体管接管并变得导通。因此，两个导通电阻的组合值（低至2或3Ω）与单个开关晶体管自身的情况相比保持大致恒定。

传输门导通电阻

传输门总结

可以看到，将P沟道FET（PMOS）与N沟道FET（NMOS）连接在一起，可以创建一个固态开关，该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）是一个双向开关，其中任一其端子的可以是输入或输出。除了输入和输出端子，传输门还具有称为控制的第三连接，其中控制输入将门的开关状态确定为打开或关闭（NO / NC）开关。

该输入通常由数字逻辑信号驱动，该数字逻辑信号在地（0V）和设定的DC电压（通常为VDD）之间切换。当控制输入为低（Control = 0）时，开关断开；当控制输入为HIGH（Control = 1）时，开关闭合。

传输门就像电压控制开关一样，并且是开关，CMOS传输门可用于在任一方向上切换通过整个电压范围（从0V到V DD）的模拟信号和数字信号，这是不可能的。单个MOS器件。

NMOS和PMOS晶体管在单个门内的组合意味着NMOS晶体管将传输良好的逻辑“ 0”，但传输不良的逻辑“ 1”，而PMOS晶体管传输良好的逻辑“ 1”但传输不良的逻辑“ 0”。因此，将NMOS晶体管与PMOS晶体管并联可提供单个双向开关，从而为由单个输入逻辑电平控制的CMOS逻辑门提供有效的输出驱动能力。