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CMOS传输门工作原理详解:传输机制与真值表分析

CMOS传输门是一种独特的开关电路,能够传输数字信号和模拟信号。它由一个PMOS和一个NMOS晶体管并联构成,具有极低的导通电阻和极高的截止电阻,使其在电子电路中扮演着重要角色。
CMOS传输门的核心是由P沟道和N沟道增强型MOSFET并联组成的传输门(TG)。这种结构使得传输门可以看作是模拟信号的模拟开关。在CMOS传输门中,PMOS和NMOS管的漏极和源极是可以互换的,这种对称性使得它们在处理信号时更加灵活。
在CMOS传输门的工作原理中,TP和TN两个器件的漏极和源极都连接到特定的电压上,以确保PN结不会正偏。TP的衬底接+5V电压,而TN的衬底接-5V电压。两个管的栅极由互补的信号电压控制,分别用C和!C表示。当C端接低电压-5V时,TN不导通,TP也不导通,此时开关是断开的。反之,当C端接高电压+5V时,TN和TP将根据输入信号的电压范围决定是否导通。
在模拟信号传输过程中,CMOS传输门表现出一些独特的特性。当输入信号的电压在-3V到+3V之间时,TN和TP两个管子均能导通,形成一个低阻抗的通道。而当输入信号电压超出这个范围时,只有一个管子导通,从而形成高阻抗的通道。这种特性使得CMOS传输门在模拟开关应用中具有优势,如在取样-保持电路、斩波电路以及模数和数模转换电路中。
在数字逻辑电路设计中,传输门同样发挥着重要作用。传输门左端为输入,右端为输出,上端C反、下端C为控制端。当C反为0,C为1时,TG门开通,此时右端输出等于左端输入。
除了CMOS传输门,还有一种TTL传输门,它由一对极性相反的三极管构成。根据输入信号的不同,信号会通过不同的三极管传输到输出端。当控制信号P为0,N为1时,传输门打开,信号可以传输;当P为1,N为0时,传输门关闭,信号无法传输。
CMOS传输门的应用非常广泛。例如,在门控振荡器中,传输门可以根据控制信号的不同,使电路振荡或停止振荡,输出矩形波。程控脉冲振荡器可以通过改变控制信号,输出不同频率的矩形波。此外,传输门还可以用于程控运算放大器,通过改变反馈部分的连接方式,调整运算放大器的电压放大倍数。
总之,CMOS传输门作为一种既能传输数字信号又能传输模拟信号的开关电路,在现代电子电路设计中具有广泛的应用前景。通过对CMOS传输门的工作原理和应用深入了解,我们可以更好地利用这一技术,提高电路设计的效率和性能。

CMOS传输门(TransmissionGate)是一种既可以传送数字信号又可以传输模拟信号的可控开关电路。CMOS传输门由一个PMOS和一个NMOS管并联构成,其具有很低的导通电阻(几百欧)和很高的截止电阻(大于10^9欧)。

CMOS传输门工作原理详解:传输机制与真值表分析

所谓传输门(TG)就是一种传输模拟信号的模拟开关。CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOSFET并联而成,如下图所示。

cmos传输门如何传输(cmos传输门工作原理及作用_真值表)

cmos传输门工作原理

TP和TN是结构对称的器件,它们的漏极和源极是可互换的。设它们的开启电压|VT|=2V且输入模拟信号的变化范围为-5V到+5V。为使衬底与漏源极之间的PN结任何时刻都不致正偏,故TP的衬底接+5V电压,而TN的衬底接-5V电压。两管的栅极由互补的信号电压(+5V和-5V)来控制,分别用C和!C表示。

传输门的工作情况如下:当C端接低电压-5V时TN的栅压即为-5V,vI取-5V到+5V范围内的任意值时,TN不导通。同时、TP的栅压为+5V,TP亦不导通。可见,当C端接低电压时,开关是断开的。为使开关接通,可将C端接高电压+5V。此时TN的栅压为+5V,vI在-5V到+3V的范围内,TN导通。同时TP的棚压为-5V,vI在-3V到+5V的范围内TP将导通。

由上分析可知,当vI《-3V时,仅有TN导通,而当vI》+3V时,仅有TP导通当vI在-3V到+3V的范围内,TN和TP两管均导通。

进一步分析还可看到,一管导通的程度愈深,另一管的导通程度则相应地减小。换句话说,当一管的导通电阻减小,则另一管的导通电阻就增加。由于两管系并联运行,可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是CMOS传输出门的优点。在正常工作时,模拟开关的导通电阻值约为数百欧,当它与输入阻抗为兆欧级的运放串接时,可以忽略不计。

逻辑功能

MOSFET的输出特性在原点附近呈线性对称关系,因而它们常用作模拟开关。模拟开关广泛地用于取样——保持电路、斩波电路、模数和数模转换电路等。在数字逻辑电路设计中,传输门左端为输入,右端为输出,上端C反、下端C为控制端,当C反为0,C为1时TG门开通,此时右端输出out=左端输入in。

TTL传输门

用一对极性相反的三极管也能构成传输门。

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如图,若P=0,N=1:

当A作为输入端且为高电平时,信号从上面的三极管传输到B端输出(P端三极管导通);若A为低电平,则通过下面的三极管送到B端(N端三极管导通)。

当B作为输入端且为高电平时,信号从下面的三极管送到A端输出(N端三极管导通);若为低电平,则从上面的三极管传输到A端(P端三极管导通)。

若P=1,N=0,则两个三极管都截止,此时A、B之间相当于断开的开关。

因为是P=0,N=1时打开传输门,所以画出的电路符号上是P上有小圆圈,N上没有。

传输门的应用

(1)门控振荡器

如图3所示,当c为“1”时,TG导通电路振荡,VO输出矩形波;当c为“O”时,TG截止,电路停止振荡。

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图3门控振荡器

(2)程控脉冲振荡器

如果要获得不同频率矩形波可采用如图4所示的电路,只要对A、B、C加入不同的电平控制,即可获得不同频率的矩形波。

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图4程控脉冲振荡器

(3)程控运算放大器

传输门可以传输数字信号,也可以传输模拟信号,在运算放大器的反馈部分采用程控方式,可以改变放大器的电压放大倍数。如图5程控放大器

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图5程控放大器

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