傳輸門是由外部施加的邏輯電平控制的NMOS和PMOS晶體管組成的雙向開關(guān)

模擬開關(guān)是控制模擬信號傳輸路徑的固態(tài)半導(dǎo)體開關(guān)。開關(guān)位置的打開和關(guān)閉操作通常由一些數(shù)字邏輯網(wǎng)絡(luò)控制，標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)可用于多種類型和配置。例如，單或雙常開（NO）或常閉（NC），單刀單擲（SPST），單刀，雙擲（SPDT）配置等，與傳統(tǒng)機(jī)電一樣繼電器和觸點(diǎn)。

數(shù)字和模擬信號（電壓和電流）的切換和布線可以使用機(jī)械繼電器及其觸點(diǎn)輕松完成，但這些可能很慢且成本高昂。顯而易見的選擇是使用速度更快的固態(tài)電子開關(guān)，其使用金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）模擬門將信號電流從其輸入路由到其輸出，眾所周知的CMOS 4016B雙向開關(guān)是最常見的例子。

MOS技術(shù)使用NMOS和PMOS器件來執(zhí)行邏輯開關(guān)功能，從而允許數(shù)字計(jì)算機(jī)或邏輯電路控制這些模擬開關(guān)的操作。 CMOS和PMOS晶體管制造在同一門電路中的CMOS器件可以通過（閉合條件）或阻斷（開路）模擬或數(shù)字信號，具體取決于控制它的數(shù)字邏輯電平。

允許雙向信號或數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓虘B(tài)開關(guān)類型稱為傳輸門或TG。但首先考慮將場效應(yīng)晶體管或FET作為基本模擬開關(guān)的操作。

MOSFET作為模擬開關(guān)

兩個雙極結(jié)型晶體管（BJT）和場效應(yīng)晶體管（FET）可用作各種不同應(yīng)用中的單極電子開關(guān)。與雙極器件相比，MOSFET或金屬氧化物半導(dǎo)體FET技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是其柵極端子通過薄金屬氧化物層與主導(dǎo)電溝道絕緣，并且用于開關(guān)的主MOSFET溝道是純電阻性的。

考慮下面的基本N溝道和P溝道增強(qiáng)MOSFET（eMOSFET）配置。

MOSFET作為開關(guān)

然后我們可以看到，對于n溝道（NMOS）和p溝道（PMOS）增強(qiáng)型MOSFET，它可以作為開路（OFF）或閉路（ON）工作）器件必須滿足下列條件：

當(dāng)柵極 - 源極電壓V GS 時，N溝道MOSFET的行為類似于閉合開關(guān)大于閾值電壓V T 。即V GS > V T

當(dāng)柵極 - 源極電壓V GS時，N溝道MOSFET的行為類似于開路開關(guān)小于閾值電壓V T 。即V GS T

當(dāng)柵極 - 漏極電壓V GD時，P溝道MOSFET的行為類似于閉合開關(guān)小于閾值電壓V T 。即V GD T

當(dāng)柵極 - 漏極電壓V GD時，P溝道MOSFET的行為類似于開路開關(guān)大于閾值電壓V T 。即V GD > V T

注意MOSFET 閾值電壓，V T 是施加到漏極和源極端子之間的主溝道的柵極端子以開始導(dǎo)通的最小電壓。此外，由于eMOSFET主要用作開關(guān)器件，因此它通常在其截止和飽和區(qū)域之間工作，因此V GS 用作MOSFET的ON / OFF控制電壓。

理想開關(guān)

理想的模擬開關(guān)在關(guān)閉時會產(chǎn)生短路狀態(tài)，在打開時會產(chǎn)生開路狀態(tài)，以類似于機(jī)械開關(guān)的方式。

然而，固態(tài)模擬開關(guān)并不理想，因?yàn)閷?dǎo)通時總是有一些損耗，因?yàn)樗趯?dǎo)通時會產(chǎn)生電阻值。

我們想如果我們應(yīng)用了一個信號對于其輸入引腳，這將導(dǎo)致信號相同且輸出引腳沒有損耗，反之亦然。然而，雖然CMOS開關(guān)的確具有出色的傳輸門，但它們的“導(dǎo)通”狀態(tài)電阻R ON 可能是幾歐姆，從而產(chǎn)生I 2 * R功率損耗，而它們的“ OFF“狀態(tài)電阻可以是幾千歐姆，允許微微安培的電流仍然流過通道。

然而，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體FET作為模擬開關(guān)和傳輸門執(zhí)行的能力仍然很高，和MOSFET器件，特別是增強(qiáng)型MOSFET，它需要一個電壓施加到柵極使其“導(dǎo)通”，零電壓使其“關(guān)斷”是最常用的開關(guān)晶體管。

NMOS開關(guān)

N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體（NMOS）晶體管可用作傳輸模擬信號的傳輸門。假設(shè)漏極和源極端子相同，輸入連接到漏極端子，控制信號連接到柵極端子，如圖所示。

NMOS FET作為模擬開關(guān)

當(dāng)柵極上的控制電壓V C 為零（LOW）時，柵極端子不會相對于輸入端子（漏極）或輸出端子（源極）為正，因此晶體管處于其截止區(qū)域，并且輸入和輸出端子與每個晶體管隔離。然后NMOS作為一個開路開關(guān)，因此輸入端的任何電壓都不會傳遞到輸出端。

當(dāng)柵極端子上有一個正控制電壓+ V C 時，晶體管被“接通”并且在其飽和區(qū)域中充當(dāng)閉合開關(guān)。如果輸入電壓V IN 為正且大于V C ，電流將從漏極端子流向源極端子，從而連接V OUT 到V IN 。

然而，如果V IN 變?yōu)榱悖↙OW），而柵極控制電壓仍為正，則晶體管通道仍然打開但漏極 - 源極電壓V DS 為零，因此沒有漏極電流流過溝道，因此輸出電壓為零。

因此，只要柵極控制電壓V C 為高電平，NMOS晶體管將輸入電壓傳遞給輸出端。如果為低電平，則NMOS晶體管變?yōu)椤癘FF”，輸出端子與輸入斷開。因此，柵極處的控制電壓V C 確定晶體管是“開路”還是“閉合”作為開關(guān)。

這里的NMOS開關(guān)的一個問題是柵極 - 源極電壓V GS 必須明顯大于溝道閾值電壓才能使其完全導(dǎo)通，否則將通過溝道降低電壓。因此，NMOS器件只能發(fā)送“弱”邏輯“1”（高電平）但強(qiáng)邏輯“0”（低電平）而不會丟失。

PMOS開關(guān)

P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體（PMOS）晶體管類似但極性與先前的NMOS器件相反，其中電流從源極到漏極以相反的方向流動。然后對于PMOS器件，輸入連接到源極端子，控制信號連接到柵極端子，如圖所示。

PMOS FET作為開關(guān)

對于PMOS FET，當(dāng)柵極上的控制電壓V C 為零時，因此相對于任一輸入端子（源極）或輸出端（漏極），晶體管為“ON”，其飽和區(qū)域用作閉合開關(guān)。如果輸入電壓V IN 為正且大于V C ，電流將從源極端子流向漏極端子，即I D 流出漏極，從而將V IN 連接到V OUT 。

如果輸入電壓V IN 變?yōu)楫?dāng)柵極控制電壓仍為零或負(fù)時，零（LOW），PMOS通道仍然打開，但源極 - 漏極電壓V SD 為零，因此沒有電流流過通道因此輸出（漏極）的電壓為零。

當(dāng)柵極端子有正控制電壓+ V C 時，PMOS晶體管的溝道變?yōu)椤瓣P(guān)閉“并在其截止區(qū)域充當(dāng)開關(guān)。因此，沒有漏極電流I D 流過導(dǎo)電溝道。

因此，只要柵極控制電壓V C 為低電平（或負(fù)極），PMOS晶體管將輸入電壓傳遞給輸出。如果為高電平，則PMOS晶體管變?yōu)椤癘FF”，輸出端子與輸入斷開。因此，與先前的NMOS器件一樣，柵極處的控制電壓V C 確定晶體管是“開路”還是“閉合”作為開關(guān)。

問題使用PMOS開關(guān)時，柵極 - 源極電壓V GS 必須明顯小于通道閾值電壓才能將其完全關(guān)閉，否則電流仍會流經(jīng)通道。因此，PMOS器件可以無損耗地傳輸“強(qiáng)”邏輯“1”（高電平）電平，但可以傳輸弱邏輯“0”（低電平）。

因此我們可以看到，對于NMOS器件，正門 - 源電壓使電流從漏極到源極一個方向流動，而對于PMOS器件，負(fù)柵極 - 源極電壓將導(dǎo)致電流從源極到漏極反向流動。 / p>

然而，NMOS器件僅傳遞強(qiáng)“0”而弱“1”，而PMOS器件傳遞強(qiáng)“1”但弱“0”。因此，通過組合NMOS和PMOS器件的特性，可以在任一方向上傳輸強(qiáng)邏輯“0”或強(qiáng)邏輯“1”值而沒有任何劣化。然后形成傳輸門的基礎(chǔ)。

傳輸門

將PMOS和NMOS器件并聯(lián)連接在一起我們可以創(chuàng)建一個基本的雙邊CMOS開關(guān)，通常稱為“傳輸門”。注意，傳輸門與傳統(tǒng)的CMOS邏輯門完全不同，因?yàn)閭鬏旈T是對稱的，或雙邊的，即輸入和輸出是可互換的。這個雙邊操作顯示在下面的傳輸門符號中，它顯示了兩個指向相反方向的疊加三角形，表示兩個信號方向。

CMOS傳輸門

兩個MOS晶體管與NMOS和PMOS的柵極之間使用的反相器并聯(lián)連接，以提供兩個互補(bǔ)的控制電壓。當(dāng)輸入控制信號V C 為低電平時，NMOS和PMOS晶體管都截止，開關(guān)打開。當(dāng)V C 為高電平時，兩個器件都被偏置為導(dǎo)通，開關(guān)閉合。

因此當(dāng)V C <時，傳輸門充當(dāng)“閉合”開關(guān)/ sub> = 1，而當(dāng)V C = 0作為電壓控制開關(guān)工作時，門用作“開路”開關(guān)。指示PMOS FET柵極的符號氣泡。

傳輸門布爾表達(dá)式

與傳統(tǒng)邏輯門一樣，我們可以使用真值來定義傳輸門的操作表和布爾表達(dá)式如下。

傳輸門真值表

符號	真值表
傳輸門	Control	A	B
1	0	0
1	1	1
0	0	高阻
0	1	Hi-Z
布爾表達(dá)式B = A.Control	讀為AAND續(xù)。給出B

從上面的真值表我們可以看出，B處的輸出不僅依賴于輸入A的邏輯電平，還依賴于存在的邏輯電平。控制輸入。因此，B的邏輯電平值被定義為A AND Control，它給出了傳輸門的布爾表達(dá)式：

B = A.Control

由于傳輸門的布爾表達(dá)式包含邏輯AND功能，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)的2輸入AND門實(shí)現(xiàn)此操作，其中一個輸入是數(shù)據(jù)輸入，而另一個是控制輸入，如圖所示。

和門實(shí)現(xiàn)

關(guān)于傳輸門，單個NMOS或其他兩個要考慮的問題單個PMOS本身可以用作CMOS開關(guān)，但兩個晶體管并聯(lián)的組合具有一些優(yōu)點(diǎn)。 FET溝道是電阻性的，因此兩個晶體管的導(dǎo)通電阻有效地并聯(lián)連接。

作為FET導(dǎo)通電阻是柵極 - 源極電壓的函數(shù)，V GS ，當(dāng)一個晶體管由于柵極驅(qū)動而變得較不導(dǎo)通時，另一個晶體管接管并變得更導(dǎo)通。因此，兩個導(dǎo)通電阻（低至2或3Ω）的組合值與單個開關(guān)晶體管本身的情況相比或多或少保持不變。

何時可以證明這一點(diǎn)下圖。

傳輸門導(dǎo)通電阻

傳輸門總結(jié)

我們在這里看到連接P溝道FET（PMOS）和N溝道FET（NMOS），我們可以創(chuàng)建一個固態(tài)開關(guān)，使用邏輯電平電壓進(jìn)行數(shù)字控制，通常稱為“傳輸”門“。

傳輸門，（TG）是雙向開關(guān)，其中任何一個端子都可以是輸入或輸出。除輸入和輸出端子外，傳輸門還有一個稱為控制的第三個連接，其中控制輸入將門的開關(guān)狀態(tài)確定為開路或閉路（NO / NC）開關(guān)。

此輸入通常由數(shù)字邏輯信號驅(qū)動，該信號在地（0V）和設(shè)定的直流電壓（通常為VDD）之間切換。當(dāng)控制輸入為低電平（控制= 0）時，開關(guān)打開，當(dāng)控制輸入為高電平（控制= 1）時，開關(guān)閉合。

傳輸門的作用類似于電壓控制開關(guān)，作為開關(guān)，CMOS傳輸門可用于切換通過全范圍電壓（從0V到V DD ）的模擬和數(shù)字信號。任何方向，如單個MOS器件所討論的那樣。

在單個柵極內(nèi)將NMOS和PMOS晶體管組合在一起意味著NMOS晶體管將傳輸良好的邏輯“0”但是差的邏輯“1”，而PMOS晶體管傳輸良好的邏輯“1”但是邏輯“0”。因此，將NMOS晶體管與PMOS晶體管并聯(lián)連接可提供單個雙向開關(guān)，為單個輸入邏輯電平控制的CMOS邏輯門提供高效的輸出驅(qū)動能力。