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(dāng)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(rèn)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(guān)，即通常所說的傳輸門，根據(jù)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，輸入電壓，輸出端，傳輸門處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)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(dǎo)通的對電容充電?？梢姡娏魇菑脑谙蛴业?，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(dǎo)通情況變差，充電電流越來越小，的上升速度越來越慢。當(dāng)電容兩端充到時，此時，趨近于0，傳輸門處于臨界關(guān)閉狀態(tài)。因此，傳輸門的輸出電壓最大只能達(dá)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?shù)捷敵龆?，必須提高控制電壓，?img src="/userfiles/images/2020/11/10/2020111010507020.png" title="image.png" alt="image.png"/>，這樣會增加電路的復(fù)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(guān)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(guān)閉狀態(tài)，即：。當(dāng)柵極上加控制電壓，使傳輸門打開，電容就通過導(dǎo)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(dǎo)通，輸出端電壓可以達(dá)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(qū)和非飽和區(qū)。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(guān)速度。

2、CMOS 傳輸門

CMOS傳輸門是由一個PMOS管和一個NMOS管并聯(lián)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(gòu)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(dāng)，時，兩管都導(dǎo)通，傳輸門處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸入端的信號可以傳到輸出端；當(dāng)時，兩管都截止，傳輸門處于截止?fàn)顟B(tài)，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?shù)那闆r。

（1）高電平傳輸

圖2-78為高電平傳輸?shù)膶嶋H電路。設(shè)輸入電壓，原來的。當(dāng)加上控制信號，時，NMOS管的，PMOS管的，兩管都充分導(dǎo)通，傳輸門被打開。這時，輸入電壓通過導(dǎo)通的互補管對電容充電。根據(jù)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(lián)的，所以，CMOS傳輸門的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)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(dǎo)通情況變差，直到截止；但PMOS管的恒等于，所以始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸入端電壓可以繼續(xù)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(dǎo)通狀態(tài)，電容的起始電壓，輸入電壓為，這時，通過導(dǎo)通的傳輸門放電。當(dāng)輸出端電壓逐漸降低時，PMOS管的逐漸減小，管子的導(dǎo)通情況變差，直至截止，而NMOS管的恒為，所以始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，可以繼續(xù)通過NMOS管放電，一直到 MOS傳輸門工作原理。