گیت انتقال

گیت انتقال، یک سوئیچ دو طرفه‌ ی متشکل از ترانزیستور های NMOS و PMOS است؛ که توسط سطوح منطقی خارجی، کنترل می‌شود.

سوئیچ آنالوگ، یک سوئیچ نیمه‌ هادی حالت جامد است؛ که مسیر انتقال سیگنال‌ های آنالوگ را کنترل می‌کند. عملیات باز و بسته‌ کردن موقعیت‌های سوئیچ، معمولا توسط برخی از شبکه‌های منطقی دیجیتال، کنترل می‌شود و سوئیچ‌ های آنالوگ استاندارد در بسیاری از سبک‌ها و تنظیمات، موجود است. برای مثال، پیکربندی‌ های واحد یا دوتایی معمولا باز (normally open-NO) یا معمولا بسته (normally close-NC)، تک قطب تک پرتابه (SPST) و تک قطب دو پرتابه (SPDT) و … تقریبا به همان روشی که برای رله‌ ها و کانتکت‌ ها، مرسوم است؛ وجود دارند.

سوئیچ‌ کردن و مسیر یابی سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ ( اعم از ولتاژ و جریان) را می‌توان به‌راحتی با استفاده از رله‌های مکانیکی و کانتکت‌ های آن‌ها، انجام داد؛ اما می‌تواند کند و پرهزینه باشد. انتخاب‌ واضح این است؛ که از کلیدهای الکترونیکی حالت جامد بسیار سریع‌ تر، به‌دلیل داشتن گیت‌ های آنالوگ اکسید فلزی (MOS) برای هدایت جریان‌ های سیگنال ورودی به خروجی، استفاده گردد و رایج‌ ترین مثال این سوئیچ دو طرفه CMOS 4016B است.

فناوری MOS، از هردو دستگاه‌ های NMOS و PMOS برای انجام عملیات‌ های سوئیچینگ منطقی، استفاده می‌کند و بنابراین، به یک رایانه‌ی دیجیتالی یا مدار منطقی، اجازه می‌دهد؛ تا عملکرد این سوئیچ‌های آنالوگ را کنترل کند. دستگاه‌های CMOS، که هر دو ترانزیستورهای NMOS و PMOS در یک مدار گیت یکسان ساخته می‌شوند؛ بسته به سطح منطقی دیجیتالی کنترل‌گر آن، می‌توانند یک سیگنال آنالوگ یا دیجیتال را منتقل ( در حالت بسته) یا مسدود ( در حالت باز) کنند.

یک نوع سوئیچ حالت جامد، که امکان انتقال سیگنال یا داده را، در هر دو جهت، دارد؛ گیت انتقال یا TG نامیده می‌شود. اما ابتدا، اجازه دهید؛ عملکرد یک ترانزیستور اثر میدانی یا FET را به‌ عنوان یک کلید اصلی آنالوگ، در نظر بگیریم.

ماسفت به‌ عنوان یک سوئیچ آنالوگ

هر دو ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJTs) و ترانزیستورهای اثر میدانی (FETs) می‌توانند به‌عنوان سوئیچ الکترونیکی تک قطبی، در طیف گسترده‌ای از برنامه‌های مختلف، استفاده شوند. مزایای اصلی فناوری ماسفت یا اکسید فلز نیمه‌های  FET نسبت به دستگاه‌های دو قطبی، این است؛ که پایانه‌ی گیت آن، توسط یک لایه‌ی نازک اکسید فلز، نسبت به کانال رسانای اصلی، عایق شده است و کانال اصلی ماسفت، که برای  سوئیچینگ استفاده می‌شود؛ کاملا مقاومتی است.

پیکربندی‌های اصلی کانال N و کانال P تنظیمات ماسفت (eMOSFET) را در زیر در نظر بگیرید

ماسفت به‌عنوان یک سوئیچ

۱ . ماسفت به‌عنوان یک سوئیچ

پس می‌توان دید؛ که برای تنظیمات ماسفت یک کانال n(NMOS) یا یک کانال p(PMOS)، برای عملکرد به‌ عنوان یک دستگاه باز (open) یا بسته (close)، عبارت‌ های زیر باید صادق باشند:

یک  ماسفت N کانال ، مانند یک سوئیچ بسته عمل می‌کند؛ زمانی‌که ولتاژ گیت منبع، VGS بزرگتر از ولتاژ آستانه، VT باشد؛ که به معنای VGS>VT است.

یک ماسفت N کانال  ، مانند یک سوئیچ باز عمل می‌کند؛ زمانی‌ که ولتاژ گیت منبع، VGS کوچکتر از ولتاژ آستانه، VT باشد؛ که به معنای VGS<VT است.

یک ماسفت P کانال  ، مانند یک سوئیچ بسته عمل می‌کند؛ زمانی‌که ولتاژ گیت درین، VGD کوچکتر از ولتاژ آستانه، VT باشد؛ که به معنای VGD<VT است.

یک ماسفت P کانال، مانند یک سوئیچ باز عمل می‌کند؛ زمانی‌که ولتاژ گیت درین، VGD بزرگتر از ولتاژ آستانه، VT باشد؛ که به معنای VGD>VT است.

توجه داشته باشید؛ که ولتاژ آستانه‌ی ماسفت، VTحداقل ولتاژ اعمال‌شده به پایانه‌ی گیت، برای کانال اصلی بین پایانه‌ های درین و منبع، برای شروع هدایت است. همچنین، از آنجایی‌که، eMOSFET عمدتا به‌عنوان یک دستگاه سوئیچینگ، استفاده می‌شود؛ به‌طورکلی، بین مناطق قطع و اشباع خود، عمل می‌کند و بنابراین VGS به‌عنوان ولتاژ کنترل روشن/خاموش شدن، برای ماسفت عمل می‌کند.

سوئیچ ایده‌آل

۲ . سوئیچ ایده‌آل

یک سوئیچ ایده‌آل آنالوگ، می‌تواند یک وضعیت مداربسته، زمانی‌ که بسته است و مدار باز، هنگام باز بودن، شبیه به یک سوئیچ مکانیکی، ایجاد کند. درهرحال، سوئیچ‌ های آنالوگ حالت جامد، ایده‌آل نیستند؛ زیرا همیشه به‌دلیل مقدار مقاومتی موجود در آنها، مقداری افت ولتاژ در ارتباط با کانال رسانا، در هنگام روشن‌بودن، وجود دارد.

ما می‌خواهیم فکرکنیم؛ که درصورت اعمال سیگنال، به یک پین ورودی، سبب یک سیگنال یکسان و بدون تلفات در پین خروجی یا بالعکس می‌شود. با این‌حال، زمانی‌که، سوئیچ‌ های CMOS گیت‌ های انتقال عالی را ایجاد می‌کنند؛ مقاومت حالت “روشن”(RON) آن‌ها، می‌تواند درحد چندین اهم باشد و باعث کاهش I۲*R گردد درحالی‌که، مقاومت حالت “خاموش”(ROFF) آن‌ها، می‌تواند چندهزار اهم بوده و اجازه‌دهد؛ تا جریان پیکو آمپر، از کانال جریان یابد.

با این وجود، توانایی FETهای نیمه‌ رسانای اکسید فلز مکمل، در عملکرد به‌عنوان سوئیچ‌های آنالوگ و گیت‌های انتقال بالا، می‌باشد و دستگاه‌های ماسفت، به‌ویژه ماسفت تقویت‌کننده که نیاز به اعمال ولتاژ روی گیت برای روشن کردن و ولتاژ صفر برای خاموش کردن دارد؛ بیشتر به‌عنوان ترانزیستور سوییچینگ، استفاده می‌شود.

سوئیچ NMOS

یک ترانزیستور نیمه‌ رسانای اکسید فلزی (NMOS) N کانال، می‌تواند به‌عنوان گیت انتقال سیگنال‌های آنالوگ مورد استفاده قرار گیرد. با فرض اینکه پایانه‌های درین و منبع، یکسان باشند؛ ورودی به پایانه‌ی درین و سیگنال کنترل، به پایانه‌ی گیت، مطابق شکل متصل می‌شود.

3 . سوئیچ NMOS

NMOS FET به‌عنوان سوئیچ آنالوگ

هنگامی‌ که، ولتاژ کنترل ،VCروی گیت صفر (LOW-پایین) است؛ پایانه‌ی گیت از نظر پایانه‌ی ورودی (درین) یا پایانه‌ی خروجی (منبع) مثبت نخواهد بود. بنابراین، ترانزیستور در ناحیه‌ی قطع خود قرار دارد و پایانه‌های ورودی و خروجی، از یکدیگر جدا شده‌اند. سپس NMOS یک سوئیچ باز عمل می‌کند؛ بنابراین هرگونه ولتاژ ورودی به خروجی، منتقل نمی‌شود.

زمانی‌که، ولتاژ کنترل مثبت، VC+ در پایانه‌ی گیت باشد؛ ترانزیستور “روشن” می‌شود و در منطقه‌ی اشباع خود، به‌عنوان یک کلید بسته، عمل می‌کند. اگر ولتاژ ورودی ،VIN مثبت و بیشتر از VC باشد، جریان از پایانه‌ی درین به پایانه‌ی منبع، جاری می‌شود و سبب اتصال VOUT به VIN می‌گردد.

اگر درهرحال، VIN صفر(LOW) شود؛ درحالی‌که، ولتاژ کنترل گیت‌ها هنوز مثبت است؛ کانال ترانزیستور همچنان باز است اما ولتاژ درین به منبع، VDSصفر است و بنابراین، هیچ جریان درین‌ ای از کانال عبور نمی‌کند و بنابراین، ولتاژ خروجی، صفر است.

ازاین‌رو، تا وقتی‌که ولتاژ کنترل گیت، VC، بالا(HIGH) باشد؛ ترانزیستور NMOS، ولتاژ ورودی را به‌ سمت خروجی عبور می‌دهد و اگر پایین (LOW) باشد؛ ترانزیستور NMOS، “خاموش” می‌شود و پایانه‌ی خروجی از ورودی جدا می‌شود. درنتیجه، ولتاژ کنترل ، VCدر گیت، تعیین‌کننده است؛ چه تزانزیستور به‌عنوان یک سوئیچ “روشن” و چه “خاموش” باشد.

یک مسئله درمورد سوئیچ NMOS، این است؛ که ولتاژ گیت به منبع، VGS باید به‌طور قابل توجهی بیشتر از ولتاژ آستانه‌ی کانال باشد؛ تا به‌طور کامل، روشن شود وگرنه، کاهش ولتاژ از طریق کانال، ایجاد می‌گردد. بنابراین، دستگاه NMOS فقط می‌تواند منطق “ضعیف” سطح 1(HIGH-بالا) را منتقل کند؛ اما منطق قوی سطح 0 (LOW- پایین) را بدون تلفات، منتقل می‌کند.

سوئیچ PMOS

یک ترانزیستور نیمه‌رسانای اکسید فلزی (PMOS) P کانال، مشابه، اما با قطبیت معکوس دستگاه NMOS قبلی است و دارای جریان جاری در خلاف جهت، از منبع به درین، می‌باشد. پس، برای یک دستگاه PMOS، ورودی به پایانه‌ی منبع و سیگنال کنترل، به پایانه‌ی گیت، مطابق شکل متصل می‌شود.

4 . سوئیچ PMOS

PMOS FET به‌عنوان سوئیچ آنالوگ

برای یک PMOS FET ،زمانی‌که، ولتاژ کنترل ، VC بر پایانه‌ی گیت، صفر باشد و بنابراین، نسبت به پایانه‌ی ورودی (منبع) یا پایانه‌ی خروجی (درین) منفی‌تر باشد؛ ترانزیستور “روشن” می‌شود و در منطقه‌ی اشباع خود، به‌عنوان یک کلید بسته، عمل می‌کند. اگر ولتاژ ورودی، VIN مثبت و بیشتر از VC باشد، جریان از پایانه‌ی منبع به پایانه‌ی درین، جاری می‌شود و شارش ID خارج از درین، سبب اتصال VIN به VOUT می‌گردد.

اگر، VIN صفر (LOW) شود؛ درحالی‌که، ولتاژ کنترل گیت‌ها هنوز صفر یا منفی است؛ کانال PMOS ترانزیستور همچنان باز است اما ولتاژ منبع به درین، VSDصفر است و بنابراین، هیچ جریانی از کانال عبور نمی‌کند و بنابراین، ولتاژ خروجی (درین)، صفر است.

هنگامی‌که، ولتاژ کنترل مثبت، VCروی پایانه‌ی گیت باشد؛ کانال PMOS ترانزیستور، “خاموش” شده و در ناحیه‌ی قطع خود به‌عنوان یک سوئیچ باز عمل می‌کند. زیرا هیچ جریان درین ID، از کانال اتصال، گذر نمی‌کند.

ازاین‌رو، تا وقتی‌که ولتاژ کنترل گیت، VC، پایین (LOW) یا منفی باشد؛ ترانزیستور PMOS، ولتاژ ورودی را به خروجی عبور می‌دهد و اگر بالا(HIGH) باشد؛ ترانزیستور PMOS، “خاموش” می‌شود و پایانه‌ی خروجی از ورودی جدا می‌شود. درنتیجه، همانند دستگاه NMOS قبلی، ولتاژ کنترل ، VCدر گیت، تعیین‌کننده است؛ چه تزانزیستور به‌عنوان یک سوئیچ “روشن” و چه “خاموش” باشد.

یک مشکل درمورد سوئیچ PMOS، این است؛ که ولتاژ گیت به منبع، VGS باید به‌طور قابل توجهی کمتر از ولتاژ آستانه‌ی کانال باشد؛ تا به‌طور کامل، خاموش شود وگرنه، جریان از طریق کانال، جاری می‌گردد. بنابراین، دستگاه PMOS می‌تواند منطق “قوی” سطح 1(HIGH-بالا) را بدون تلفات، اما منطق “ضعیف” سطح 0 (LOW- پایین) را با تلفات، منتقل کند.

بنابراین، ما می‌توانیم ببینیم؛ که برای یک دستگاه NMOS، یک ولتاژ مثبت گیت به منبع، سبب شارش جریان در یک جهت، از درین به منبع می‌شود؛ درحالی‌که، برای یک دستگاه PMOS، یک ولتاژ منفی گیت به منبع، سبب شارش جریان در جهت مخالف، از منبع به درین می‌شود.

به‌هرحال، دستگاه NMOS، فقط از یک 0 قوی اما 1 ضعیف، عبور می‌کند؛ درحالی‌که، دستگاه PMOS، از یک 1 قوی اما 0 ضعیف، عبور می‌کند.

بنابراین با ترکیب ویژگی‌های دستگاه‌های NMOS و PMOS، می‌توان یک منطق قوی “0” یا یک منطق قوی “1” را در هر جهت، بدون هیچ‌گونه تلفاتی، منتقل کرد و این اساس گیت انتقال را تشکیل می‌دهد.

گیت انتقال

اتصال دستگاه‌های PMOS و NMOS به یک‌ دیگر به‌صورت موازی، می‌تواند یک سوئیچ CMOS دوطرفه‌ی پایه، ایجاد نماید؛ که معمولا با نام گیت انتقال، شناخته می‌شود. توجه داشته‌باشید؛ که گیت‌های انتقال، کاملا متفاوت از گیت‌های منطقی CMOS می‌باشند. زیرا گیت انتقال، متقارن یا دوطرفه است؛ یعنی ورودی و خروجی آن، قابل تعویض است. این عملیات دو طرفه، در نماد گیت انتقال، در زیر نشان داده می‌شود؛ که دو مثلث اضافه‌شده به یکدیگر را در جهت مخالف جهت نشان‌دادن دو جهت سیگنال، نمایش می‌دهد.

گیت انتقال CMOS

5 . گیت انتقال CMOS

دو ترانزیستور MOS، به‌صورت موازی پشت به پشت به‌هم متصل شده‌اند و یک معکوس‌کننده، بین گیت NMOS و PMOS دو ولتاژ مکمل کنترل را فراهم می‌کند. زمانی‌که، سیگنال کنترل ورودی ،VC ،پایین و LOW است؛ هردو ترانزیستور NMOS و PMOS ، قطع بوده و سوئیچ، باز است. زمانی‌که، VC بالا و HIGH است؛ هردو دستگاه، برای هدایت بایاس شده و سوئیچ، بسته است.

بنابراین، گیت انتقال، درحالت VC=1 به‌عنوان یک سوئیچ “بسته”، عمل می‌کند؛ اما درحالت VC=0 به‌عنوان یک سوئیچ کنترل‌ شده با ولتاژ، عمل می‌کند. حباب نماد نشان‌دهنده‌ی گیت PMOS FET است.

عبارت بولین گیت انتقال

به‌عنوان گیت‌های منطقی سنتی، می‌توانیم عملکرد یک گیت انتقال را، با استفاده از جدول درستی و عبارت بولین، به شرح زیر، تعریف کنیم.

جدول درستی گیت انتقال

۶ . جدول درستی گیت انتقال

از جدول درستی فوق، می‌توان دریافت که خروجی B نه‌ تنها به  سطح منطقی ورودی A ،بلکه به سطح منطقی موجود در ورودی کنترل نیز، بستگی دارد. بنابراین، مقدار سطح منطقی B، به‌عنوان A که با کنترل،AND می‌شود؛ به ما عبارت بولین گیت انتقال را به‌صورت زیر می‌دهد:

B=A.Control

ازآنجایی‌ که، عبارت بولین یک گیت انتقال، عملکرد منطقی AND را در برمی‌گیرد؛ بنابراین، می‌توان این عملیات را، با استفاده از یک گیت دو ورودی AND استاندارد، پیاده‌ سازی کرد؛ که یک ورودی آن، ورودی داده است و دیگری، ورودی کنترل می‌باشد.

پیاده‌ سازی گیت AND

7 . پیاده‌سازی گیت AND

یک نکته‌ی دیگر و موردتوجه در مورد گیت‌های انتقال، این است؛ که یک NMOS واحد یا PMOS واحد، به‌تنهایی، می‌تواند به‌عنوان یک سوئیچ CMOS استفاده شود. اما ترکیب دو ترانزیستور به‌صورت موازی، دارای مزایایی است. یک کانال FET، مقاومتی است؛ بنابراین، مقدار مقاومتی‌های روشن (ON-resistances) هردو ترانزیستور به‌صورت موازی، متصل می‌شوند.

از آنجایی‌که، یک مقدار مقاومتی روشن (ON-resistances)FET ، تابعی از ولتاژ گیت به منبع،VGS است؛ با کاهش هدایت یک ترانزیستور به‌دلیل درایو گیت، ترانزیستور دیگر، غلبه می‌کند و بیشتر رسانا می‌شود. بنابراین، مقدار ترکیبی دو مقدار مقاومتی روشن (کم و به‌اندازه‌ی ۲ یا ۳ اهم) کمتر یا بیشتر، از آنچه در یک ترانزیستور سوئیچینگ به‌ تنهایی است؛ ثابت می‌ماند.

چه زمانی، می‌توان نمودار زیر را نشان داد؟!

گیت انتقال مقدار مقاومتی روشن

۸ . گیت انتقال مقدار مقاومتی روشن

خلاصه‌ی گیت انتقال

دراینجا، دیدیم؛ که با اتصال یک ترانزیستور FET با P کانال (PMOS) به یک ترانزیستور FET با N کانال (NMOS)، می‌توان یک سوئیچ حالت جامد، ایجاد کرد؛ که به‌ صورت دیجیتالی، بااستفاده از ولتاژهای سطح منطقی، کنترل می‌شود و معمولا، “گیت انتقال”، نامیده می‌شود.

گیت انتقال (TG)، یک سوئیچ دو طرفه است؛ که در آن، هریک از پایانه‌های آن، می‌تواند ورودی یا خروجی باشد. علاوه‌ بر پایانه‌های ورودی و خروجی، گیت انتقال، دارای یک اتصال سوم به‌نام کنترل است؛ که در آن ورودی کنترل، حالت سوئیچینگ گیت را به‌عنوان یک سوئیچ باز یا بسته (NO/NC) تعیین می‌کند.

این ورودی، معمولا توسط یک سیگنال منطقی دیجیتالی، هدایت می‌شود؛ که بین زمین (0V) و یک ولتاژ DC معمولی، معمولا VDD، تغییر حالت می‌دهد. زمانی‌که، ورودی کنترل، پایین باشد (کنترل=۰)، سوئیچ باز است و زمانی‌که، ورودی کنترل، بالا باشد (کنترل=۱)، سوئیچ بسته، می‌باشد.

گیت‌های انتقال، مانند سوئیچ‌های کنترل ولتاژ، عمل می‌کنند و به‌عنوان سوئیچ، از گیت‌های انتقال CMOS می‌توان برای تغییر سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال، که طیف وسیعی از ولتاژ ها ( از 0 ولت تا VDD ) را در هر جهت عبور می‌دهند، استفاده کرد؛ که همانطور که گفته‌شد، توسط یک دستگاه MOS واحد، امکان‌پذیر نیست.

ترکیب ترانزیستورهای NMOS و PMOS باهم و در یک گیت واحد، به این معنی است؛ که ترانزیستور NMOS، یک منطق خوب “0” اما یک منطق ضعیف “1” را منتقل می‌کند؛ درحالی‌که، یک ترانزیستور PMOS، یک منطق خوب “1” اما یک منطق ضعیف “0” را منتقل می‌کند. بنابراین، اتصال یک ترانزیستور NMOS با یک ترانزیستور PMOS، به‌صورت موازی، یک سوئیچ دو طرفه را فراهم می‌کند؛ که قابلیت خروجی کارامد را، برای گیت‌های منطقی CMOS که توسط یک سطح منطقی ورودی، کنترل می‌شوند؛ ارائه می‌دهد.