传输门在CMOS双向开关电路中的角色与功能
发布时间：2020-01-06
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
传输门是一种由逻辑电平控制的双向开关，由外部施加的电压信号控制着NMOS和PMOS晶体管的开闭状态。
模拟开关是用于控制模拟信号传输路径的固态半导体开关。通常通过数字逻辑网络进行开启或关闭操作，并且存在多种样式和配置可供选择。与传统机械继电器和触点方式相比，标准的模拟开关具有类似的特性，例如单通道常开（NO）或常闭（NC）、单刀单掷（SPST）或单刀双掷（SPDT）等配置。
使用机械继电器及其触点可以轻松切换和路由数字和模拟信号（包括电压和电流），但速度较慢且成本较高。显而易见的替代选择是采用固态电子开关，这些开关使用金属氧化物半导体（MOS）模拟门将信号电流从输入传递到输出。其中最著名的例子是CMOS 4016B双向开关。
MOS技术同时利用NMOS和PMOS器件来实现逻辑开关功能，使得数字计算机或逻辑电路可以对这些模拟开关进行控制。在CMOS器件中，将NMOS和PMOS晶体管集成在同一门电路中，根据数字逻辑电平的控制，可以传递（闭合状态）或阻断（断开状态）模拟或数字信号。
固态开关允许双向信号或数据传输的类型被称为传输门（TG）。不过，在讨论传输门之前，我们先来考虑将场效应晶体管（FET）作为基本的模拟开关操作。
MOSFET作为模拟开关
双极结型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）都可以作为单极电子开关在各种不同的应用中使用。相较于双极型器件，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）技术的主要优势在于其栅极端子通过一薄层金属氧化物与主导电通道绝缘，并且用于开关的主MOSFET通道是纯电阻性的。
请考虑以下基本的N沟道和P沟道增强型MOSFET（eMOSFET）配置。
MOSFET作为开关
接下来我们可以观察到，要使n沟道（NMOS）和p沟道（PMOS）增强型MOSFET作为开路（OFF）或闭路（ON）器件工作，需要满足以下条件：
当栅极-源极电压V<sub>GS</sub>大于阈值电压V<sub>T</sub>时，N沟道MOSFET表现为闭合开关。即V<sub>GS</sub> > V<sub>T</sub>
当栅极-源极电压V<sub>GS</sub>小于阈值电压V<sub>T</sub>时，N沟道MOSFET的行为类似于断开开关。即V<sub>GS</sub> < V<sub>T</sub>
当栅极漏极电压V<sub>GD</sub>小于阈值电压V<sub>T</sub>时，P沟道MOSFET的行为类似于闭合开关。即V<sub>GD</sub> < V<sub>T</sub>
当栅极漏极电压V<sub>GD</sub>大于阈值电压V<sub>T</sub>时，P沟道MOSFET的行为类似于开路开关。即V<sub>GD</sub> > V<sub>T</sub>
需要注意的是，MOSFET的阈值电压V<sub>T</sub>是指施加到漏极端和源极端之间的主通道开始导通的栅极端的最小电压。此外，由于增强型MOSFET主要用作开关器件，因此它通常在截止区和饱和区之间工作，所以V<sub>GS</sub>被用作控制MOSFET的ON/OFF状态的电压。
理想开关
理想的模拟开关在闭合时会产生短路状态，在断开时会产生开路状态，类似于机械开关的工作方式。
然而，固态模拟开关并非完全理想，因为在导通时始终与传导通道相关联，导致一些损耗。
我们希望信号应用到输入引脚会导致相同的信号，并且在输出引脚上没有损耗，反之亦然。然而，尽管CMOS开关确实具有出色的传输门性能，但其“ON”状态的电阻（R<sub>ON</sub>）可能达到几欧姆，导致I<sup>2</sup>*R功率损耗，而其“OFF”状态的电阻可能达到几千欧姆，仍允许微安电流通过通道。
尽管如此，互补金属氧化物半导体场效应晶体管仍然具有作为模拟开关和传输门的能力，而MOSFET器件，特别是增强型MOSFET，需要施加电压到栅极以实现导通，并通过将零电压应用于栅极来关闭它们，这是最常用的开关晶体管的方式。
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，将输入连接到漏极端子，将控制信号连接到栅极端子，如下图所示。
NMOS Switch
NMOS FET作为模拟开关
当栅极上的控制电压VC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，使得输入和输出端子相互隔离。此时，NMOS充当断开开关，因此输入端的任何电压都无法传递到输出端。
当栅极端有一个正控制电压+ VC时，该晶体管将变为"ON"，在其饱和区域充当闭合开关。如果输入电压VIN为正且大于VC，电流将从漏极端子流至源极端子，将VOUT连接至VIN。
然而，在栅极控制电压仍为正时，如果VIN变为零（低电平），晶体管通道仍处于开路状态，但漏极至源极电压VDS为零，因此没有漏极电流通过该通道，输出电压为零。
因此，只要栅极控制电压VC为高电平，NMOS晶体管将传递输入电压到输出。如果为低电平，则NMOS晶体管变为"OFF"，输出端与输入断开。因此，栅极处的控制电压VC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VGS必须显著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，而不会丢失发送强逻辑"0"（低）电平。
PMOS开关
与之前的NMOS器件相似，P沟道金属氧化物半导体（PMOS）晶体管的极性相反，电流从源极到漏极的方向也相反。下图展示了PMOS器件的连接方式：将输入连接到源极端子，将控制信号连接到栅极端子。
PMOS Switch
PMOS FET作为开关
对于PMOS FET，当栅极上的控制电压VC为零时，相对于输入端子（源极）或输出端子（漏极）而言为负，晶体管处于"ON"状态，充当闭合开关，并处于其饱和区域。如果输入电压VIN为正且大于VC，则电流将从源极端子流至漏极端子，即ID从漏极流出，将VIN连接至VOUT。
当输入电压VIN变为零（低电平），而栅极控制电压仍为零或为负时，PMOS通道仍处于开路状态，但源漏电压VSD为零，因此没有电流通过该通道，输出端（漏极）上的电压为零。
当栅极端有一个正控制电压+VC时，PMOS晶体管的沟道将变为"OFF"，在其截止区域充当开路开关。因此，没有漏极电流ID通过导电沟道。
因此，只要栅极控制电压VC为低（或负），PMOS晶体管将传递输入电压到输出。如果为高电平，则PMOS晶体管变为"OFF"，并且输出端与输入断开。因此，类似于先前的NMOS器件，栅极的控制电压VC决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VGS必须显著小于通道阈值电压才能完全关断，否则仍会有电流通过通道。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）电平。
综上所述，我们可以观察到，对于NMOS器件，正的栅极至源极电压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从源极到漏极以相反的方向流动。
然而，NMOS器件仅通过强"0"而不会受到弱"1"的影响，而PMOS器件则通过强"1"但不受弱"0"的影响。因此，通过结合NMOS和PMOS器件的特性，可以在任何方向上传输强逻辑"0"或强逻辑"1"的值而不会有任何损失。这为传输门的实现奠定了基础。
传输门
通过并行连接PMOS和NMOS器件，我们可以创建一个基本的双向CMOS开关，通常称为"传输门"。请注意，传输门与常规的CMOS逻辑门完全不同，因为它是对称的或双向的，即输入和输出是可互换的。在传输门符号下方，用两个指向相反方向的重叠三角形表示双向操作，以指示两个信号方向。
CMOS传输门
使用反相器将两个MOS晶体管的栅极背对背并联连接，以提供两个互补的控制电压。当输入控制信号VC为低电平时，NMOS和PMOS晶体管均处于截止状态，开关断开。当VC为高电平时，两个器件都偏置为导通状态，并且开关闭合。
因此，当VC = 1时，传输门充当"关闭"开关，而当VC = 0时，传输门充当"打开"开关，作为压控开关。符号中的气泡表示PMOS FET的栅极。
传输门布尔表达式
与传统的逻辑门一样，我们可以使用真值表和布尔表达式来定义传输门的操作，如下所示。
传输门真值表
从上面的真值表可以看出，输出B不仅依赖于输入A的逻辑电平，还依赖于控制输入的逻辑电平。因此，我们可以将B的逻辑电平值定义为A AND Control，得到以下传输门的布尔表达式：
B = A.控制
由于传输门的布尔表达式包含逻辑与功能，因此可以使用标准的2输入与门来实现该操作，其中一个输入是数据输入，另一个输入是控制输入。
与门实施
在考虑传输门时，需要注意的另一点是可以单独使用一个NMOS或一个PMOS作为CMOS开关，但是并联使用两个晶体管具有一些优势。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VGS的函数，当一个晶体管由于栅极驱动而变得导通较少时，另一个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情况下保持大致恒定。
下图展示了这一点何时可以显示出来。
传输门导通电阻
摘要
我们已经观察到，将P沟道FET（PMOS）与N沟道FET（NMOS）并联连接在一起，可以创建一个数字控制的固态开关，称为"传输门"。该传输门是一个双向开关，其中任意一端可以是输入或输出。除了输入和输出端口外，传输门还有一个被称为控制的第三个连接，该连接通过控制输入来确定开关状态，即打开或关闭（NO / NC）。
这个控制输入通常由数字逻辑信号驱动，在地（0V）和设定的DC电压（通常为VDD）之间切换。当控制输入为低电平（Control = 0）时，开关打开；当控制输入为高电平（Control = 1）时，开关闭合。
传输门类似于电压控制开关，并且是CMOS传输门开关，可用于在任意方向上切换通过整个电压范围（从0V到VDD）的模拟信号和数字信号，而单个MOS器件无法实现此功能。
NMOS和PMOS晶体管在单个门内的组合意味着NMOS晶体管能够传输良好的逻辑"0"，但无法传输理想的逻辑"1"，而PMOS晶体管能够传输良好的逻辑"1"，但无法传输理想的逻辑"0"。因此，将NMOS晶体管与PMOS晶体管并联可以提供单个双向开关，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。
关键词：罗姆电源管理
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