传输门：双向器件的重要作用及模拟电压传输

1.传输管

单个MOS晶体管可作为开关使用，因此可以用来传输信号，作为传输信号用的单个MOS晶体管又称为传输管。传输管正常工作时栅极接有效电平。对于NMOS晶体管，其栅极接高电平V_DD，对于PMOS晶体管其栅极接低电平GND。下面以NMOS晶体管为例来简单分析传输管的工作过程。

（1）传输低电平 当输入信号为低电平时，开始传输低电平的过程。NMOS晶体管传输低电平0的示意图如图4-8所示，此图为晶体管的初始工作状态，开始时，输入端V_I=V_S=0，V_O=V_DS=1，此时V_GS=V_DD，管子正常开启导通，V_DS=V_DD，满足晶体管饱和的条件，即管子处于饱和导通状态，负载电容通过沟道进行放电，输出端电位降低，即V_O开始降低；当V_O降低到V_DD-V_TN时，即V_DS=V_GS-V_TN，晶体管开始处于临界饱和状态，负载电容继续通过沟道进行放电，V_O继续降低；当V_O小于V_GS-V_TN时，晶体管开始处于线性工作状态，负载电容继续放电，V_O一直减小。直到V_O减小到0，即V_DS=V_O-V_I=0时，沟道中才没有电流流过。因此NMOS晶体管传输低电平时，输出端可以输出为强0。

考虑线性工作区的电流公式[式（3-9）]，也可以分析NMOS晶体管传输低电平的过程。

图4-8 NMOS晶体管传输低电平0的示意图

（2）传输高电平 当输入信号为高电平时，开始传输高电平的过程。NMOS晶体管传输高电平1的示意图如图4-9所示，此图为晶体管的初始工作状态，开始时，V_I=V_DD=1，V_O=V_S=0，此时V_GS=V_DD，晶体管正常开启导通，V_DS=V_DD，满足晶体管饱和的条件，即晶体管处于饱和导通状态，负载电容通过沟道进行充电，输出端电位升高，即V_O开始升高；随V_O的升高，V_DS=V_I-V_O开始下降，但不管V_O怎么升高，都满足饱和导通的条件，即V_DS=V_DD-V_O＞V_GS-V_TN=V_DD-V_O-V_TN始终成立，晶体管一直处于饱和导通的状态，V_O继续升高；当V_O升高到V_DD-V_TN时，此时V_GS=V_G-V_S=V_DD-（V_DD-V_TN）=V_TN，晶体管处于临界截止状态，晶体管中没有电流流过。因此传输高电平时，输出端电压最高只能为V_DD-V_TN。

图4-9 NMOS晶体管传输高电平1的示意图

考虑饱和工作区的电流公式[式（3-10）]，也可以分析NMOS晶体管传输高电平的过程。

2.双管传输门(www.xing528.com)

根据前面讲过的内容可以知道，单管传输信号时对不同的信号有不同的传输效果。在实际的电路中信号有可能出现任意一种情况，因此要求传输电路能传输任一种信号。为了保证传输电路能传输任一种信号，可以采用将一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管并联的方式（此并联与前面的MOS晶体管并联形成一个晶体管不同），并联后该传输电路既能传输高电平信号1，又能传输低电平信号0。

这种传输电路称为双管传输门，CMOS传输门电路和符号如图4-10所示。

当在控制端C加0，在端加V_DD时，只要输入信号的变化范围不超出0～V_DD，则V1和V₂同时截止，输入与输出之间呈高阻态（＞109MΩ），传输门截止。

反之，若C=V_DD，，而且在R_L（等效负载电阻）远大于V₁、V₂导通电阻的情况下，则当0＜V_I＜V_DD-V_TN时V₁将导通，而当V_TP＜V_I＜V_DD时V₂导通。因此，V_I在0～V_DD之间变化时，V₁和V₂至少有一个是导通的，使V_I与V_O两端之间呈低阻态（小于1kΩ），传输门导通。

由于V₁、V₂管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互换使用，因而CMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可以互易使用。

图4-10 CMOS传输门电路和图形符号

传输门的一个重要用途是作模拟开关，它可以用来传输连续变化的模拟电压信号。模拟开关的基本电路由CMOS传输门和一个CMOS反相器组成，如图4-11所示。当C=1时，开关接通，C=0时，开关断开，因此只要一个控制电压即可工作。和CMOS传输门一样，模拟开关也是双向器件。CMOS双向模拟开关如图4-11所示。

图4-11 CMOS双向模拟开关