Việc chuyển đổi và định tuyến các tín hiệu kỹ thuật số và tín hiệu tương tự (cả điện áp và dòng điện) có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách sử dụng các rơ le cơ học và các tiếp điểm , nhưng chúng không đáp ứng được thời gian đóng cắt và tốn kém. Sự lựa chọn rõ ràng là sử dụng các công tắc điện tử bán dẫn hoạt động nhanh hơn nhiều sử dụng các cổng tương tự bán dẫn oxit kim loại (MOS) để định tuyến các dòng tín hiệu từ đầu vào đến đầu ra của chúng, với công tắc song phương CMOS 4016B nổi tiếng là ví dụ phổ biến nhất.
Công nghệ MOS sử dụng cả thiết bị NMOS và PMOS để thực hiện các chức năng chuyển mạch logic, do đó cho phép máy tính kỹ thuật số hoặc mạch logic điều khiển hoạt động của các công tắc tương tự này. Các thiết bị CMOS trong đó bóng bán dẫn NMOS và PMOS được chế tạo thành cùng một mạch cổng, có thể truyền (điều kiện đóng) hoặc chặn (điều kiện mở) tín hiệu tương tự hoặc kỹ thuật số, tùy thuộc vào mức logic kỹ thuật số điều khiển nó.
Loại công tắc chuyển mạch bán dẫn cho phép truyền tín hiệu hoặc dữ liệu theo cả hai hướng được gọi là Cổng truyền hoặc TG . Nhưng trước hết chúng ta hãy xem xét hoạt động của Transistor hiệu ứng trường, hoặc FET như một công tắc tương tự cơ bản.
MOSFET như một công tắc tương tự
Cả hai bóng bán dẫn lưỡng cực (BJT) và bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET) đều có thể được sử dụng như một công tắc điện tử một cực trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ưu điểm chính của MOSFET, hoặc FET kim loại-oxit-bán dẫn, công nghệ so với các thiết bị lưỡng cực là đầu Gate của nó được cách điện với kênh dẫn chính bởi một lớp oxit kim loại mỏng và kênh MOSFET chính được sử dụng để chuyển mạch hoàn toàn là điện trở.
Hãy xem xét các cấu hình MOSFET nâng cao kênh N và kênh P (eMOSFET) cơ bản bên dưới.
MOSFET như một công tắc
Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng để MOSFET kênh n (NMOS) và kênh p (PMOS) hoạt động như một thiết bị mở (TẮT) hoặc đóng (BẬT), các điều kiện sau phải đúng:
- Để N-kênh MOSFET như một công tắc đóng khi V GS lớn hơn điện áp ngưỡng, V T . Đó là V GS > V T
- Để N-kênh MOSFET như một công tắc mở khi V GS thấp hơn điện áp ngưỡng, V T . Đó là V GS <V T
- Để P-kênh MOSFET như một công tắc đóng khi điện áp V GD thấp hơn điện áp ngưỡng, V T . Đó là V GD <V T
- MOSFET P-kênh hoạt động như một công tắc mở khi điện áp V GD lớn hơn điện áp ngưỡng, V T . Đó là V GD > V T
Lưu ý rằng Điện áp ngưỡng MOSFETs , V T là điện áp tối thiểu được vào đầu đầu cực G để MOSFETS đầu dẫn điện. Ngoài ra, vì eMOSFET được sử dụng chủ yếu như một thiết bị chuyển mạch, nó thường hoạt động giữa các vùng cắt và bão hòa , do đó V GS hoạt động như một điện áp điều khiển BẬT / TẮT cho MOSFET.
Công tắc lý tưởng
Một công tắc tương tự lý tưởng sẽ tạo ra tình trạng ngắn mạch khi đóng và điều kiện hở mạch khi mở, theo kiểu tương tự như công tắc cơ học.
Tuy nhiên, công tắc bán dẫn không phải là lý tưởng vì luôn có một số tổn hao liên quan đến kênh dẫn do giá trị điện trở của nó khi BẬT.
Chúng tôi muốn nghĩ rằng nếu chúng tôi áp dụng một tín hiệu cho chân đầu vào của nó, điều này sẽ dẫn đến tín hiệu giống hệt nhau và không bị mất ở chân đầu ra, và ngược lại. Tuy nhiên, trong khi các công tắc CMOS tạo ra các cổng truyền dẫn tuyệt vời, thì điện trở trạng thái “BẬT” của chúng, R BẬT có thể là vài ôm tạo ra tổn thất công suất I 2 * R, trong khi điện trở trạng thái “TẮT” của chúng có thể là vài nghìn ôm cho phép dòng điện pico vẫn chảy qua kênh.
Tuy nhiên, khả năng của FET bán dẫn oxit kim loại bổ sung để hoạt động như các công tắc tương tự và cổng truyền dẫn vẫn cao, và các thiết bị MOSFET, đặc biệt là MOSFET chế độ tăng cường yêu cầu một điện áp được áp dụng cho cổng để nó “BẬT” và điện áp bằng không để tắt nó “TẮT” là các bóng bán dẫn chuyển đổi được sử dụng phổ biến nhất.
Công tắc NMOS
Bóng bán dẫn bán dẫn oxit kim loại (NMOS) kênh N có thể được sử dụng như một cổng truyền dẫn để truyền tín hiệu tương tự. Giả sử rằng Cực G và Cực S giống hệt nhau, đầu vào được kết nối với cực Drain và tín hiệu điều khiển kết nối với cực G như hình minh họa.
NMOS FET như một công tắc tương tự
Khi điện áp điều khiển, V C trên G bằng không (LOW), cực G sẽ không dương với đầu vào D hoặc đầu ra (S), do đó bóng bán dẫn nằm trong vùng cắt và các đầu vào và đầu ra được cách ly với từng thiết bị. Khi đó NMOS đang hoạt động một công tắc mở để mọi điện áp ở đầu vào sẽ không được chuyển đến đầu ra.
Khi có điện áp điều khiển dương + V C ở cực G, bóng bán dẫn được bật “ON” và trong vùng bão hòa của nó hoạt động như một công tắc đóng. Nếu điện áp đầu vào, V IN là dương và lớn hơn V C thì dòng điện sẽ chạy từ đầu cực G đến cực S, do đó kết nối V OUT với V IN .
Tuy nhiên, nếu V IN trở về 0 (LOW) trong khi điện áp điều khiển cổng vẫn còn dương, kênh bóng bán dẫn vẫn mở nhưng điện áp V DS bằng không, do đó, không có dòng tiêu nào chạy qua kênh và do đó đầu ra điện áp bằng không.
Do đó, miễn là điện áp điều khiển G, V C Cao , bóng bán dẫn NMOS sẽ chuyển điện áp đầu vào đến đầu ra. Nếu nó ở mức THẤP, bóng bán dẫn NMOS bị “TẮT” và đầu cuối đầu ra bị ngắt kết nối khỏi đầu vào. Do đó, điện áp điều khiển, V C tại cổng xác định xem bóng bán dẫn là “mở” hay “đóng” như một công tắc.
Một vấn đề ở đây với công tắc NMOS là điện áp V GS phải lớn hơn đáng kể điện áp ngưỡng kênh để BẬT hoàn toàn hoặc sẽ có sự giảm điện áp qua kênh. Do đó thiết bị NMOS chỉ có thể truyền mức logic “yếu” “1” (CAO) nhưng mức logic mạnh “0” (THẤP) mà không bị mất.
Công tắc PMOS
Transistor bán dẫn oxit kim loại (PMOS) kênh P tương tự nhưng ngược cực với thiết bị NMOS trước đó với dòng điện chạy theo hướng ngược lại, từ S đến D. Sau đó đối với thiết bị PMOS, đầu vào được kết nối với đầu S và tín hiệu điều khiển ở cực G như hình.
PMOS FET như một công tắc
Đối với PMOS FET, khi điện áp điều khiển, V C trên G bằng 0 và do đó càng âm hơn đối với đầu vào S hoặc đầu ra đầu ra D, bóng bán dẫn ở trạng thái “BẬT” và trong vùng bão hòa của nó hoạt động như một công tắc đóng. Nếu điện áp đầu vào, V IN là dương và lớn hơn V C thì dòng điện sẽ chạy từ cực S đến cực D, tức là I D chảy ra khỏi D, do đó kết nối V IN với V OUT .
Nếu điện áp đầu vào, V IN trở thành không (LOW) trong khi điện áp điều khiển G vẫn bằng 0 hoặc âm, kênh PMOS vẫn mở nhưng điện áp V SD bằng không, do đó không có dòng điện chạy qua kênh và do đó điện áp ở đầu ra (D) bằng không.
Khi có điện áp điều khiển dương + V C ở cực G, kênh của bóng bán dẫn PMOS được chuyển sang trạng thái “TẮT” và trong vùng cắt của nó hoạt động như một công tắc mở. Do đó không có dòng chảy , I D chảy qua kênh dẫn.
Do đó, miễn là điện áp điều khiển cổng, V C là THẤP (hoặc âm), bóng bán dẫn PMOS sẽ chuyển điện áp đầu vào đến đầu ra. Nếu nó ở mức CAO, bóng bán dẫn PMOS bị “TẮT”, và đầu cuối đầu ra bị ngắt kết nối khỏi đầu vào. Do đó, như với thiết bị NMOS trước đây, điện áp điều khiển, V C tại cổng G xác định xem bóng bán dẫn là “mở” hay “đóng” như một công tắc.
Vấn đề với công tắc PMOS là điện áp V GS phải nhỏ hơn đáng kể so với điện áp ngưỡng kênh để nó TẮT hoàn toàn hoặc dòng điện vẫn chạy qua kênh. Vì vậy, thiết bị PMOS có thể truyền mức logic “mạnh” “1” (CAO) mà không bị suy hao nhưng mức logic yếu “0” (THẤP).
Vì vậy, chúng ta có thể thấy rằng đối với thiết bị NMOS, điện áp G-S dương làm cho dòng điện chạy theo một hướng từ D đến S, trong khi đối với thiết bị PMOS, điện áp G-S âm sẽ dẫn đến dòng điện chạy theo chiều ngược lại từ S-đến-D.
Tuy nhiên, thiết bị NMOS chỉ vượt qua “0” mạnh nhưng “1” yếu, trong khi thiết bị PMOS vượt qua “1” mạnh nhưng “0” yếu. Do đó, bằng cách kết hợp các đặc tính của thiết bị NMOS và thiết bị PMOS, có thể truyền cả giá trị logic mạnh “0” hoặc logic mạnh “1” theo cả hai hướng mà không bị suy giảm. Điều này sau đó tạo thành cơ sở của Cổng truyền .
Cổng truyền tải
Kết nối song song các thiết bị PMOS và NMOS với nhau, chúng ta có thể tạo ra một công tắc CMOS song phương cơ bản, thường được gọi là “Cổng truyền”. Lưu ý rằng cổng truyền dẫn hoàn toàn khác với cổng logic CMOS thông thường vì cổng truyền tải là đối xứng, hoặc song phương, tức là đầu vào và đầu ra có thể hoán đổi cho nhau. Hoạt động song phương này được thể hiện trong biểu tượng cổng truyền bên dưới cho thấy hai hình tam giác chồng lên nhau hướng ngược nhau để chỉ ra hai hướng tín hiệu.
Cổng truyền CMOS
Hai bóng bán dẫn MOS được kết nối song song với nhau bằng một bộ nghịch lưu được sử dụng giữa cổng NMOS và PMOS để cung cấp hai điện áp điều khiển bổ sung. Khi tín hiệu điều khiển đầu vào, V C ở mức THẤP, cả hai bóng bán dẫn NMOS và PMOS đều bị cắt và công tắc mở. Khi V C ở mức cao, cả hai thiết bị đều được phân cực dẫn và công tắc đóng.
Do đó, cổng truyền tải hoạt động như một công tắc “đóng” khi V C = 1, trong khi cổng hoạt động như một công tắc “mở” khi V C = 0 hoạt động như một công tắc điều khiển điện áp. Bong bóng của biểu tượng cho biết cổng của PMOS FET.
Biểu thức Boolean Cổng truyền
Như với các cổng logic truyền thống, chúng ta có thể xác định hoạt động của cổng truyền bằng cách sử dụng cả bảng chân trị và biểu thức boolean như sau.
Bảng thực trị cổng truyền
| Biểu tượng | Bảng thực trị | ||
|
Cổng truyền tải |
Control | A | B |
| 1 | 0 | 0 | |
| 1 | 1 | 1 | |
| 0 | 0 | Hi-Z | |
| 0 | 1 | Hi-Z | |
| Biểu thức Boolean B = A.Control | Đọc dưới dạng A VÀ Tiếp theo. cho B | ||
Chúng ta có thể thấy từ bảng sự thật trên, rằng đầu ra tại B không chỉ phụ thuộc vào mức logic của đầu vào A, mà còn phụ thuộc vào mức logic có trên đầu vào điều khiển. Do đó, giá trị mức logic của B được định nghĩa là cả A AND Control cho chúng ta biểu thức boolean cho cổng truyền của:
B = A.Control
Vì biểu thức boolean của cổng truyền kết hợp hàm AND logic, do đó có thể thực hiện thao tác này bằng cách sử dụng cổng AND 2 đầu vào tiêu chuẩn với một đầu vào là đầu vào dữ liệu trong khi đầu vào kia là đầu vào điều khiển như được minh họa.
Cổng AND
Một điểm khác cần xem xét về các cổng truyền dẫn, một NMOS đơn lẻ hoặc một PMOS riêng lẻ có thể được sử dụng như một bộ chuyển mạch CMOS, nhưng sự kết hợp của hai bóng bán dẫn song song có một số ưu điểm. Kênh FET có điện trở nên điện trở BẬT của cả hai bóng bán dẫn được kết nối song song một cách hiệu quả.
Như một FETs Điện trở trên là một hàm của điện áp V GS , khi một bóng bán dẫn trở nên kém dẫn hơn do ổ cổng, bóng bán dẫn khác sẽ tiếp nhận và trở nên dẫn nhiều hơn. Do đó, giá trị kết hợp của hai điện trở ON (thấp nhất là 2 hoặc 3Ω) không đổi nhiều hơn hoặc ít hơn so với trường hợp đối với một bóng bán dẫn chuyển mạch đơn lẻ.
Khi nào có thể chứng minh điều này trong sơ đồ sau.
Cổng truyền ON-Trở kháng
Tóm tắt Cổng truyền
Chúng ta đã thấy ở đây rằng việc kết nối FET kênh P (PMOS) với FET kênh N (NMOS), chúng ta có thể tạo ra một công tắc bán dẫn được điều khiển kỹ thuật số bằng cách sử dụng điện áp mức logic và thường được gọi là “cổng truyền”.
Các cổng truyền , (TG) là một chuyển đổi song phương nơi một trong hai thiết bị đầu cuối của nó có thể là đầu vào hay đầu ra. Cũng như các thiết bị đầu cuối đầu vào và đầu ra, cổng truyền tải có một kết nối thứ ba được gọi là điều khiển, nơi đầu vào điều khiển xác định trạng thái chuyển mạch của cổng là công tắc mở hoặc đóng (NO / NC).
Đầu vào này thường được điều khiển bởi tín hiệu logic kỹ thuật số chuyển đổi giữa mặt đất (0V) và điện áp một chiều đã đặt, thường là VDD. Khi đầu vào điều khiển ở mức thấp (Điều khiển = 0), công tắc sẽ mở và khi đầu vào điều khiển ở mức CAO (Điều khiển = 1), công tắc sẽ đóng.
Cổng truyền dẫn hoạt động giống như công tắc điều khiển điện áp và là công tắc, cổng truyền CMOS có thể được sử dụng để chuyển đổi cả tín hiệu tương tự và tín hiệu kỹ thuật số truyền toàn bộ dải điện áp (từ 0V đến V DD ) theo cả hai hướng, điều này không thể thực hiện được với một thiết bị MOS duy nhất.
Sự kết hợp của một bóng bán dẫn NMOS và một bóng bán dẫn PMOS với nhau trong một cổng duy nhất có nghĩa là bóng bán dẫn NMOS sẽ chuyển một logic tốt “0” nhưng một logic kém “1”, trong khi bóng bán dẫn PMOS chuyển một logic tốt “1” nhưng một logic kém “0”. Do đó, việc kết nối song song một bóng bán dẫn NMOS với bóng bán dẫn PMOS sẽ cung cấp một công tắc song song duy nhất cung cấp khả năng truyền động đầu ra hiệu quả cho các cổng logic CMOS được điều khiển bởi một mức logic đầu vào duy nhất.