MOS晶体管有一个很有用处的特性-双向性。因为它的源和漏是完全一样的,可以互相交换工作。当栅极上加了超过阀值电压的栅压时,随着源、漏之间电压极性不同,电流可以从左边流到右边,也可以从右边流到左边。若电流从左流向右,就认为左边的极为D,右边的极为S。相反,则右边为D极,左边为S极。利用上述特性,可以微成一种电子开关,即通常所说的传输门,根据沟道情况不同,可分为单沟道传输门和双沟道(CMOS)传输门。下面介绍它们的工作原理。
1、单沟道传输门
图2-75所示为NMOS单沟道传输门。它的栅极接控制电压,衬底接地,输入端与输出端可以任意选择,图中左边定为输入端,右边定为输出端,传输门可将高电平“1”和低电平“0”从输入端传至输出端。下面分别讨论传输“1”和传输“0”的情况。
(1)高电平传输
图2-76(a)为高电平传输示意图。假定原来的栅压,输入电压,输出端,传输门处于关闭状态。当栅极加上控制电压(即栅和输出端电压为),大于管子的阈值电压,传输门被打开,输入电压,通过导通的对电容充电。可见,电流是从在向右的,故左边定为漏极,右边定为源极。随着两端电压的升高,栅源电压跟着变小,门的沟道电阻增大,导通情况变差,充电电流越来越小,的上升速度越来越慢。当电容两端充到时,此时,趋近于0,传输门处于临界关闭状态。因此,传输门的输出电压最大只能达到,即使增大输入电压,也不会使增加,若要使输入电压全部传输到输出端,必须提高控制电压,使,这样会增加电路的复杂性。
紧上所述,单沟道传输门在传输高电平时,存在着过早截止的情况,从面限制了传输电压的幅度,而且沟道电阻变化很大,限制了开关速度。
(2)低电平传输
图2-76(b)为低电平传输示意图。假定原始为关闭状态,即:。当栅极上加控制电压,使传输门打开,电容就通过导通的门放电,电流由输出端流向输入端,故右边定为管子的漏,左边定为管子的源。由于输入端恒为0,栅源电压也恒为,因此,传输过程中管子始终保持导通,输出端电压可以达到与输入电压相同的幅度。另外,电容在放电过程中,要通过管子的饱和区和非饱和区。由于两端电压随时间而减小,所以放电速度越来越慢,限制了电路的开关速度。
2、CMOS 传输门
CMOS传输门是由一个PMOS管和一个NMOS管并联而成的。如图2-77所示。它比单沟道传输门具有更良好的传输特性,传输电压可以从0到电源电压之间的任何值。
这是一对互补MOS管,源和漏相互连接,构成输入端和输出端;PMOS管的衬底接电源,NMOS管的衬底接地电位;两只管子的栅极分别接互补控制电压VG和VG,一个处于高电平时,另一个处于低电平。
当,时,两管都导通,传输门处于导通状态,输入端的信号可以传到输出端;当时,两管都截止,传输门处于截止状态,输入端的信号不能传到输出端。
下面将分别讨论高电平传输和低电平传输的情况。
(1)高电平传输
图2-78为高电平传输的实际电路。设输入电压,原来的。当加上控制信号,时,NMOS管的,PMOS管的,两管都充分导通,传输门被打开。这时,输入电压通过导通的互补管对电容充电。根据电流的流通方向,可以从图2-78分别确定PMOS管和NMOS管的源与漏。
因为NMOS管和PMOS管是并联的,所以,CMOS传输门的导通电阻远比单沟道的PMOS或NMOS的小得多,因此,传输速度较快。虽然,随着的增高,会使变小,NMOS管的导通情况变差,直到截止;但PMOS管的恒等于,所以始终处于导通状态,输入端电压可以继续通过PMOS管对OL充电,直至。
(2)低电平传输
图2-79所示为低电平传输电路。两管的栅电压与上述相同,传输门处于导通状态,电容的起始电压,输入电压为,这时,通过导通的传输门放电。当输出端电压逐渐降低时,PMOS管的逐渐减小,管子的导通情况变差,直至截止,而NMOS管的恒为,所以始终处于导通状态,可以继续通过NMOS管放电,一直到。
(3)CMOS传输门的特点
综上所述,CMOS传输门具有两个特点:
①CMOS传输门导通时,总有一个管子的栅源电压始终不变,处于充分导通状态,所以无论传输“0”还是传输“1”,传输门都不会过早关断,能把输入电压全部传到输出端。
②CMOS传输门是两个互补MOS管并联而成的,其导通电阻较小,并且在传输过程中,导通电阻随输入、输出电压的变化较小,所以电容通过它充放电的速度较快,有利于提高电路的速度。
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