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              MOS傳輸門和單溝道傳輸門(高電平及低電平)工作原理詳解

              信息來源: 時間:2020-11-10

              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image.png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。


              MOS傳輸門工作原理


              (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image.png,輸入電壓image.png,輸出端image.png,傳輸門處于關閉狀態。當柵極加上控制電壓image.png(即柵和輸出端電壓為image.png),大于管子的閾值電壓image.png,傳輸門被打開,輸入電壓image.png,通過導通的對電容image.png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image.png兩端電壓image.png的升高,柵源電壓image.png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,image.png的上升速度越來越慢。當電容image.png兩端充到image.png時,此時image.png,image.png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image.pngimage.png,即使增大輸入電壓image.png,也不會使image.png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image.png,這樣會增加電路的復雜性。

              MOS傳輸門工作原理

              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:image.pngimage.png。當柵極上加控制電壓image.png,使傳輸門打開,電容image.png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image.png也恒為image.png,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image.png在放電過程中,要通過管子的飽和區和非飽和區。由于image.png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。

              MOS傳輸門工作原理

              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image.png,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VGVG,一個處于高電平時,另一個處于低電平。


              image.png,image.png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image.png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image.png,原來的image.png。當加上控制信號image.png,image.png時,NMOS管的image.png,PMOS管的image.png,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image.png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image.png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image.png的增高,會使image.png變小,NMOS管的導通情況變差,直到截止;但PMOS管的image.png恒等于image.png,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MOS傳輸門工作原理。


              (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image.png的起始電壓image.png,輸入電壓為image.png,這時,image.png通過導通的傳輸門放電。當輸出端電壓逐漸降低時,PMOS管的image.png逐漸減小,管子的導通情況變差,直至截止,而NMOS管的image.png恒為image.png,所以始終處于導通狀態,image.png可以繼續通過NMOS管放電,一直到MOS傳輸門工作原理。

              MOS傳輸門工作原理


              (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image.png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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