MOS傳輸門和單溝道傳輸門(高電平及低電平)工作原理詳解

MOS晶體管有一個很有用處的特性-雙向性。因為它的源和漏是完全一樣的，可以互相交換工作。當柵極上加了超過閥值電壓的柵壓時，隨著源、漏之間電壓極性不同，電流可以從左邊流到右邊，也可以從右邊流到左邊。若電流從左流向右，就認為左邊的極為D，右邊的極為S。相反，則右邊為D極，左邊為S極。利用上述特性，可以微成一種電子開關，即通常所說的傳輸門，根據溝道情況不同，可分為單溝道傳輸門和雙溝道（CMOS）傳輸門。下面介紹它們的工作原理。

1、單溝道傳輸門

圖2-75所示為NMOS單溝道傳輸門。它的柵極接控制電壓，襯底接地，輸入端與輸出端可以任意選擇，圖中左邊定為輸入端，右邊定為輸出端，傳輸門可將高電平“1”和低電平“0”從輸入端傳至輸出端。下面分別討論傳輸“1”和傳輸“0”的情況。

（1）高電平傳輸

圖2-76（a）為高電平傳輸示意圖。假定原來的柵壓，輸入電壓，輸出端，傳輸門處于關閉狀態。當柵極加上控制電壓（即柵和輸出端電壓為），大于管子的閾值電壓，傳輸門被打開，輸入電壓，通過導通的對電容充電?？梢?，電流是從在向右的，故左邊定為漏極，右邊定為源極。隨著兩端電壓的升高，柵源電壓跟著變小，門的溝道電阻增大，導通情況變差，充電電流越來越小，的上升速度越來越慢。當電容兩端充到時，此時，趨近于0，傳輸門處于臨界關閉狀態。因此，傳輸門的輸出電壓最大只能達到，即使增大輸入電壓，也不會使增加，若要使輸入電壓全部傳輸到輸出端，必須提高控制電壓，使，這樣會增加電路的復雜性。

緊上所述，單溝道傳輸門在傳輸高電平時，存在著過早截止的情況，從面限制了傳輸電壓的幅度，而且溝道電阻變化很大，限制了開關速度。

（2）低電平傳輸

圖2-76（b）為低電平傳輸示意圖。假定原始為關閉狀態，即：。當柵極上加控制電壓，使傳輸門打開，電容就通過導通的門放電，電流由輸出端流向輸入端，故右邊定為管子的漏，左邊定為管子的源。由于輸入端恒為0，柵源電壓也恒為，因此，傳輸過程中管子始終保持導通，輸出端電壓可以達到與輸入電壓相同的幅度。另外，電容在放電過程中，要通過管子的飽和區和非飽和區。由于兩端電壓隨時間而減小，所以放電速度越來越慢，限制了電路的開關速度。

2、CMOS 傳輸門

CMOS傳輸門是由一個PMOS管和一個NMOS管并聯而成的。如圖2-77所示。它比單溝道傳輸門具有更良好的傳輸特性，傳輸電壓可以從0到電源電壓之間的任何值。

這是一對互補MOS管，源和漏相互連接，構成輸入端和輸出端；PMOS管的襯底接電源，NMOS管的襯底接地電位；兩只管子的柵極分別接互補控制電壓VG和VG，一個處于高電平時，另一個處于低電平。

當，時，兩管都導通，傳輸門處于導通狀態，輸入端的信號可以傳到輸出端；當時，兩管都截止，傳輸門處于截止狀態，輸入端的信號不能傳到輸出端。

下面將分別討論高電平傳輸和低電平傳輸的情況。

（1）高電平傳輸

圖2-78為高電平傳輸的實際電路。設輸入電壓，原來的。當加上控制信號，時，NMOS管的，PMOS管的，兩管都充分導通，傳輸門被打開。這時，輸入電壓通過導通的互補管對電容充電。根據電流的流通方向，可以從圖2-78分別確定PMOS管和NMOS管的源與漏。

因為NMOS管和PMOS管是并聯的，所以，CMOS傳輸門的導通電阻遠比單溝道的PMOS或NMOS的小得多，因此，傳輸速度較快。雖然，隨著的增高，會使變小，NMOS管的導通情況變差，直到截止；但PMOS管的恒等于，所以始終處于導通狀態，輸入端電壓可以繼續通過PMOS管對OL充電，直至。

（2）低電平傳輸

圖2-79所示為低電平傳輸電路。兩管的柵電壓與上述相同，傳輸門處于導通狀態，電容的起始電壓，輸入電壓為，這時，通過導通的傳輸門放電。當輸出端電壓逐漸降低時，PMOS管的逐漸減小，管子的導通情況變差，直至截止，而NMOS管的恒為，所以始終處于導通狀態，可以繼續通過NMOS管放電，一直到。

（3）CMOS傳輸門的特點

綜上所述，CMOS傳輸門具有兩個特點：

①CMOS傳輸門導通時，總有一個管子的柵源電壓始終不變，處于充分導通狀態，所以無論傳輸“0”還是傳輸“1”，傳輸門都不會過早關斷，能把輸入電壓全部傳到輸出端。

②CMOS傳輸門是兩個互補MOS管并聯而成的，其導通電阻較小，并且在傳輸過程中，導通電阻隨輸入、輸出電壓的變化較小，所以電容通過它充放電的速度較快，有利于提高電路的速度。

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