İletim Kapısı / Transmission Gate

İletim kapısı, harici olarak uygulanan mantık seviyeleri tarafından kontrol edilen NMOS ve PMOS transistörlerinden oluşan ikili bir anahtardır.

Analog anahtar, analog sinyallerin iletim yolunu kontrol eden katı hal yarı iletken bir anahtardır. Anahtar konumlarının açık ve kapalı işlemleri, genellikle birçok stil ve konfigürasyonda bulunan standart analog anahtarlarla bazı dijital mantık ağları tarafından kontrol edilir. Örneğin, tek veya çift normalde açık (NO) veya normalde kapalı (NC), tek kutuplu tek atış (SPST), tek kutuplu, çift atış (SPDT) konfigürasyonları vb. röleler ve kontaklar.

Dijital ve analog sinyallerin (hem voltaj hem de akım) anahtarlanması ve yönlendirilmesi, mekanik röleler ve bunların kontakları kullanılarak kolayca yapılabilir, ancak bunlar yavaş ve maliyetli olabilir. Açık seçim, sinyal akımlarını girişlerinden çıkışlarına yönlendirmek için metal oksit yarı iletken (MOS) analog kapıları kullanan çok daha hızlı hareket eden katı hal elektronik anahtarları kullanmaktır, en yaygın örnek iyi bilinen CMOS 4016B iki taraflı anahtardır.

MOS teknolojisi, mantıksal anahtarlama işlevlerini gerçekleştirmek için hem NMOS hem de PMOS aygıtlarını kullanır, böylece bir dijital bilgisayarın veya mantık devresinin bu analog anahtarların çalışmasını kontrol etmesine olanak tanır. Hem NMOS hem de PMOS transistörlerinin aynı kapı devresinde üretildiği CMOS cihazları, onu kontrol eden dijital mantık seviyesine bağlı olarak bir analog veya dijital sinyali geçebilir (kapalı koşul) veya bloke edebilir (açık koşul).

Her iki yönde bir sinyal veya veri aktarımına izin veren katı hal anahtarının tipine İletim Kapısı veya TG denir . Ama önce Alan Etkili Transistör veya FET’in çalışmasını temel bir analog anahtar olarak ele alalım.

Analog Anahtar Olarak MOSFET

Hem Bipolar Kavşak Transistörleri (BJT’ler) hem de Alan Etkili Transistörler (FET’ler), çok çeşitli farklı uygulamalarda tek kutuplu bir elektronik anahtar olarak kullanılabilir. MOSFET veya metal oksit-yarı iletken FET teknolojisinin bipolar cihazlara göre ana avantajları, kapı terminalinin ana iletken kanaldan ince bir metal oksit tabakası ile yalıtılması ve anahtarlama için kullanılan ana MOSFET kanalının tamamen dirençli olmasıdır.

Aşağıdaki temel N-kanalı ve P-kanalı geliştirme MOSFET (eMOSFET) konfigürasyonlarını göz önünde bulundurun.

Anahtar Olarak MOSFET

iletim kapısı

Ardından, n-kanalı (NMOS) ve p-kanalı (PMOS) geliştirme MOSFET’in açık (KAPALI) veya kapalı (AÇIK) bir cihaz olarak çalışması için aşağıdaki koşulların doğru olması gerektiğini görebiliriz:

  • Bir N-kanalı MOSFET, kapı-kaynak voltajı V GS eşik voltajından V T daha büyük olduğunda kapalı bir anahtar gibi davranır . Yani V GS  > V T
  • Bir N-kanalı MOSFET, kapı-kaynak voltajı V GS eşik voltajından V T daha az olduğunda açık bir anahtar gibi davranır . Yani V GS  < V T
  • Bir P-kanalı MOSFET, kapı boşaltma voltajı V GD eşik voltajından V T daha düşük olduğunda kapalı bir anahtar gibi davranır . Yani V GD  < V T
  • Bir P-kanalı MOSFET, kapı boşaltma voltajı V GD eşik voltajından V T daha büyük olduğunda açık bir anahtar gibi davranır . Yani V GD  > V T

Bir MOSFET’in Eşik Gerilimi , V T’nin ana kanal için drain ve kaynak terminalleri arasındaki kapı terminaline iletmeye başlaması için uygulanan minimum voltaj olduğuna dikkat edin. Ayrıca, eMOSFET esas olarak bir anahtarlama cihazı olarak kullanıldığından, genellikle kesme ve doyma bölgeleri arasında çalışır, bu nedenle V GS , MOSFET için bir AÇIK/KAPALI kontrol voltajı görevi görür.

İdeal Anahtar

iletim kapısı

İdeal bir analog anahtar, mekanik bir anahtara benzer şekilde, kapalıyken bir kısa devre durumu ve açıkken bir açık devre durumu yaratacaktır.

Bununla birlikte, ON olduğunda direnç değeri nedeniyle iletken kanalla ilişkili bir miktar kayıp olduğundan, katı hal analog anahtarları ideal değildir.

Giriş pinine bir sinyal uygularsak, bunun çıkış pininde sinyalin aynı ve kayıpsız olacağı ve bunun tersi olacağını düşünmek isteriz. Bununla birlikte, CMOS anahtarları mükemmel iletim kapıları yaparken, “AÇIK” durum dirençleri, R ON , I 2 *R güç kaybı yaratan birkaç ohm olabilirken , “OFF” durum dirençleri birkaç bin ohm olabilir ve piko amperlik akıma izin verir. hala kanaldan akmak için.

Bununla birlikte, tamamlayıcı metal oksit yarı iletken FET’lerin analog anahtarlar ve iletim kapıları olarak performans gösterme yeteneği yüksek kalır ve MOSFET cihazları, özellikle kapıya “AÇIK” ve sıfır voltaj uygulamak için bir voltaj uygulanmasını gerektiren MOSFET geliştirmesi “KAPALI” duruma getirmek için en yaygın kullanılan anahtarlama transistörüdür.

NMOS Anahtarı

N-kanal metal oksit yarı iletken (NMOS) transistörü, analog sinyallerin iletilmesi için bir iletim kapısı olarak kullanılabilir. Tahliye ve kaynak terminallerinin aynı olduğu varsayılarak, giriş, Tahliye terminaline ve kontrol sinyali, gösterildiği gibi kapı terminaline bağlanır.

Analog Anahtar olarak NMOS FET

iletim kapısı

Kapıdaki kontrol voltajı, V C sıfır (DÜŞÜK) olduğunda, kapı terminali giriş terminaline (drenaj) veya çıkış terminaline (kaynak) göre pozitif olmayacaktır, bu nedenle transistör kesme bölgesindedir. ve giriş ve çıkış terminalleri birbirinden izole edilmiştir. Ardından NMOS, girişteki herhangi bir voltajın çıkışa iletilmemesi için açık bir anahtar görevi görür.

Kapı terminalinde pozitif kontrol gerilimi +V C olduğunda, transistör “AÇIK” duruma gelir ve doyma bölgesinde kapalı bir anahtar görevi görür. Giriş voltajı, V IN pozitifse ve V C akımından büyükse , boşaltma terminalinden kaynak terminaline akar ve böylece V OUT’u V IN’e bağlar .

Bununla birlikte , kapı kontrol voltajı hala pozitifken V IN sıfır (DÜŞÜK) olursa, transistör kanalı hala açıktır ancak drenajdan kaynağa voltaj, V DS sıfırdır, bu nedenle kanaldan hiçbir drenaj akımı akmaz ve dolayısıyla çıkış gerilim sıfırdır.

Bu nedenle, kapı kontrol voltajı V C YÜKSEK olduğu sürece , NMOS transistörü giriş voltajını çıkışa geçirir. DÜŞÜK ise, NMOS transistörü “KAPALI” duruma getirilir ve çıkış terminali girişten ayrılır. Böylece, kapıdaki kontrol gerilimi, V C , transistörün bir anahtar olarak “açık” mı yoksa “kapalı” mı olduğunu belirler.

Burada NMOS anahtarıyla ilgili bir sorun, geçitten kaynağa voltajın, V GS’nin , onu tamamen AÇIK hale getirmek için kanal eşik voltajından önemli ölçüde daha büyük olması gerektiğidir, aksi takdirde kanal boyunca bir voltaj düşüşü olacaktır. Böylece NMOS cihazı sadece “zayıf” bir mantık “1” (YÜKSEK) seviyesini ancak güçlü bir mantığı “0” (DÜŞÜK) kayıpsız iletebilir.

PMOS Anahtarı

P-kanalı metal oksit yarı iletken (PMOS) transistörü benzerdir ancak polarite bakımından önceki NMOS cihazına zıttır ve akım kaynaktan drenaja ters yönde akar. Daha sonra bir PMOS cihazı için giriş Kaynak terminaline ve kontrol sinyali kapı terminaline gösterildiği gibi bağlanır.

Anahtar Olarak PMOS FET

iletim kapısı

PMOS FET için, kapıdaki kontrol voltajı, V C sıfır olduğunda ve bu nedenle giriş terminaline (kaynak) veya çıkış terminaline (drenaj) göre daha negatif olduğunda, transistör “AÇIK” ve doyma bölgesindedir. kapalı anahtar görevi görür. Giriş voltajı, V IN pozitifse ve V C akımından daha büyükse , kaynak terminalden drenaj terminaline akım akacaktır, yani I D drenajdan dışarı akar ve böylece V IN ile V OUT’u bağlar .

Kapı kontrol voltajı hala sıfır veya negatifken giriş voltajı, V IN sıfır (DÜŞÜK) olursa, PMOS kanalı hala açıktır ancak kaynaktan drenaj voltajına, V SD sıfırdır, bu nedenle kanaldan akım akmaz ve böylece çıkıştaki (boşaltma) voltaj sıfırdır.

Kapı terminalinde pozitif kontrol gerilimi +V C olduğunda, PMOS transistörünün kanalı “KAPALI” olur ve kesme bölgesinde açık anahtar görevi görür. Böylece drenaj akımı olmaz, I D iletken kanaldan akar.

Bu nedenle, kapı kontrol voltajı V C DÜŞÜK (veya negatif) olduğu sürece, PMOS transistörü giriş voltajını çıkışa iletecektir. YÜKSEK ise, PMOS transistörü “KAPALI” duruma getirilir ve çıkış terminali girişten ayrılır. Böylece, önceki NMOS cihazında olduğu gibi, kontrol voltajı, kapıdaki V C , transistörün bir anahtar olarak “açık” mı yoksa “kapalı” mı olduğunu belirler.

PMOS anahtarıyla sorun kapı-kaynak gerilimi, V olmasıdır GS önemli ölçüde daha az kanal eşik gerilimi daha büyük olmalıdır tam kapalı çevirmek veya akım hala kanal üzerinden akacaktır. Böylece PMOS cihazı “güçlü” bir mantık “1” (HIGH) seviyesini kayıpsız, ancak zayıf bir mantık “0” (DÜŞÜK) iletebilir.

Böylece, bir NMOS cihazı için pozitif kapıdan kaynağa voltajın akımın Tahliyeden Kaynağa bir yönde akmasına neden olduğunu görebiliriz, PMOS cihazı için ise kapıdan kaynağa negatif bir voltaj akımın akmasına neden olur. Kaynaktan Tahliyeden ters yönde.

Bununla birlikte, NMOS cihazı yalnızca güçlü bir “0” ancak zayıf bir “1” geçirirken, PMOS cihazı güçlü bir “1” ancak zayıf bir “0” geçer. Böylece NMOS ve PMOS cihazlarının özelliklerini birleştirerek, herhangi bir bozulma olmadan hem güçlü bir mantık “0” hem de güçlü bir mantık “1” değerini her iki yönde iletmek mümkündür. Bu daha sonra bir İletim Kapısının temelini oluşturur .

İletim Kapısı

PMOS ve NMOS cihazlarını paralel olarak birbirine bağlayarak, yaygın olarak “İletim Kapısı” olarak bilinen temel bir ikili CMOS anahtarı oluşturabiliriz. İletim kapısı simetrik veya iki taraflı olduğundan, yani giriş ve çıkış değiştirilebilir olduğundan, iletim kapılarının geleneksel CMOS mantık kapılarından oldukça farklı olduğuna dikkat edin. Bu iki taraflı işlem, iki sinyal yönünü belirtmek için zıt yönlere bakan iki üst üste binmiş üçgeni gösteren aşağıdaki iletim kapısı sembolünde gösterilmektedir.

CMOS İletim Kapısı

iletim kapısı

İki MOS transistörü, iki tamamlayıcı kontrol voltajını sağlamak için NMOS ve PMOS kapısı arasında kullanılan bir invertör ile paralel olarak arka arkaya bağlanır. Giriş kontrol sinyali V C DÜŞÜK olduğunda, hem NMOS hem de PMOS transistörleri kesilir ve anahtar açılır. V Herhangi  yüksektir, her iki cihaz iletime bastırılmakta ve anahtar kapatılır.

Böylece iletim kapısı, V C  = 1 olduğunda “kapalı” bir anahtar görevi görürken, kapı V C  = 0 olduğunda voltaj kontrollü bir anahtar olarak çalışırken “açık” bir anahtar görevi görür . PMOS FET’in kapısını gösteren sembolün balonu.

İletim Kapısı Boole İfadesi

Geleneksel mantık kapılarında olduğu gibi, hem doğruluk tablosu hem de boole ifadesi kullanarak bir iletim kapısının çalışmasını aşağıdaki gibi tanımlayabiliriz.

İletim Kapısı Doğruluk Tablosu

iletim kapısı

Yukarıdaki doğruluk tablosundan, B’deki çıktının sadece A girişinin mantık seviyesine değil, aynı zamanda kontrol girişinde bulunan mantık seviyesine de bağlı olduğunu görebiliriz. Bu nedenle, B’nin mantık düzeyi değeri, bize bir iletim kapısı için boole ifadesini veren hem A VE Kontrol olarak tanımlanır:

B = A.Kontrol

Bir iletim geçidinin boole ifadesi mantıksal AND işlevini içerdiğinden, bu işlemi standart bir 2 girişli AND geçidi kullanarak uygulamak mümkündür; bu işlem, bir giriş veri girişi, diğeri ise gösterildiği gibi kontrol girişidir.

VE Kapı Uygulaması

iletim kapısı

İletim kapıları hakkında dikkate alınması gereken bir diğer nokta, tek bir NMOS veya tek bir PMOS, bir CMOS anahtarı olarak kullanılabilir, ancak iki transistörün paralel olarak kombinasyonunun bazı avantajları vardır. Bir FET kanalı dirençlidir, bu nedenle her iki transistörün AÇIK dirençleri paralel olarak etkin bir şekilde bağlanır.

On-direnç bir FET gibi kapı-kaynak gerilimi, V bir işlevidir GS bir transistör daha az kapısı sürücüye, diğer transistör devralır ve daha iletken hale gelir nedeniyle iletken hale geldikçe,. Bu nedenle, iki AÇIK direncinin (2 veya 3Ω kadar düşük) birleşik değeri, tek bir anahtarlama transistörünün kendi başına olması durumundan daha fazla veya daha az sabit kalır.

Bunu aşağıdaki şemada ne zaman gösterebilirim.

İletim Kapısı AÇIK-direnci

iletim kapısı

Özetle

Burada, bir P-kanallı FET’i (PMOS) bir N-kanallı FET’e (NMOS) bağlayarak, mantık seviyesi voltajları kullanılarak dijital olarak kontrol edilen ve genellikle “iletim kapısı” olarak adlandırılan bir katı hal anahtarı oluşturabileceğimizi gördük.

İletim Kapı (TG) de terminal giriş veya çıkış olabilir ikili bir anahtardır. Giriş ve çıkış terminallerinin yanı sıra iletim kapısı, kontrol adı verilen üçüncü bir bağlantıya sahiptir; burada kontrol girişi, kapının açık veya kapalı (NO/NC) anahtarı olarak anahtarlama durumunu belirler.

Bu giriş tipik olarak, toprak (0V) ile bir DC voltajı, genellikle VDD arasında geçiş yapan bir dijital mantık sinyali tarafından sürülür. Kontrol girişi düşük olduğunda (Kontrol = 0) anahtar açılır ve kontrol girişi YÜKSEK (Kontrol = 1) olduğunda anahtar kapanır.

İletim kapıları, voltaj kontrollü anahtarlar gibi davranır ve anahtarlar olarak, CMOS iletim kapıları, tartışıldığı gibi, her iki yönde de tüm voltaj aralığını (0V’den V DD’ye ) geçen hem analog hem de dijital sinyalleri anahtarlamak için kullanılabilir. tek bir MOS cihazı.

Bir NMOS ve bir PMOS transistörünün tek bir kapı içinde birlikte kombinasyonu, NMOS transistörünün iyi bir mantık “0” ancak zayıf bir mantık “1” aktaracağı, PMOS transistörünün ise iyi bir mantık “1” ancak zayıf bir mantık aktaracağı anlamına gelir. “0”. Bu nedenle, bir NMOS transistörünü bir PMOS transistörüne paralel olarak bağlamak, tek bir giriş mantık seviyesi tarafından kontrol edilen CMOS mantık kapıları için verimli çıkış sürücü yeteneği sunan tek bir ikili anahtar sağlar.