La porte de transmission : Une clé pour les signaux analogiques et numériques
La porte de transmission est un commutateur bilatéral composé de transistors NMOS et PMOS, contrôlés par des niveaux logiques appliqués de l’extérieur.
Le commutateur analogique est un commutateur de semi-conducteur à état solide qui contrôle le chemin de transmission des signaux analogiques. Les opérations d’ouverture et de fermeture des positions de commutateur sont généralement contrôlées par un réseau logique numérique, avec des commutateurs analogiques standard disponibles dans de nombreux styles et configurations que nous pouvons utiliser comme porte de transmission.
Par exemple, des configurations normalement ouvertes (NO) ou normalement fermées (NC) simples ou doubles, simple pôle simple action (SPST), simple pôle double action (SPDT), etc., de la même manière que pour les relais électromécaniques et les contacts conventionnels.
La commutation et le routage des signaux numériques et analogiques (tension et courant) peuvent facilement être réalisés à l’aide de relais mécaniques et de leurs contacts, mais ceux-ci peuvent être lents et coûteux. Le choix évident est d’utiliser des commutateurs électroniques à état solide beaucoup plus rapides, qui utilisent des portes analogiques en métal-oxyde-semi conducteur (MOS) pour acheminer les courants de signal de leur entrée à leur sortie, le commutateur bilatéral CMOS 4016B étant l’exemple le plus courant.
La technologie MOS utilise à la fois des dispositifs NMOS et PMOS pour effectuer les fonctions de commutation logique, permettant ainsi à un ordinateur numérique ou à un circuit logique de contrôler le fonctionnement de ces commutateurs analogiques. Les dispositifs CMOS, où les transistors NMOS et PMOS sont intégrés dans le même circuit de porte, peuvent passer (condition fermée) ou bloquer (condition ouverte) un signal analogique ou numérique, en fonction du niveau logique numérique qui les contrôle.
Le type de commutateur à état solide qui permet un transfert de signal ou de données dans les deux directions est appelé une Porte de Transmission, ou PT. Mais d’abord, considérons le fonctionnement d’un transistor à effet de champ, ou FET, comme un commutateur analogique de base.
Le MOSFET comme commutateur analogique
Les transistors bipolaires à jonction (BJT) et les transistors à effet de champ (FET) peuvent être utilisés comme un commutateur électronique à simple pôle dans une grande variété d’applications. Les principaux avantages de la technologie MOSFET, ou transistor à effet de champ à oxyde métallique, par rapport aux dispositifs bipolaires sont que son terminal de porte est isolé du canal de conduction principal par une fine couche d’oxyde métallique, et que le canal principal du MOSFET utilisé pour la commutation est purement résistif.
Le MOSFET comme commutateur
Nous pouvons alors constater que pour que le MOSFET à canal n (NMOS) et le MOSFET à canal p (PMOS) fonctionnent comme un dispositif ouvert (OFF) ou fermé (ON), les conditions suivantes doivent être vraies :
- Un NMOS se comporte comme un commutateur fermé lorsque la tension grille-source, VGS, est supérieure à la tension de seuil, VT. C’est-à-dire que VGS > VT
- Un NMOS se comporte comme un commutateur ouvert lorsque la tension grille-source, VGS, est inférieure à la tension de seuil, VT. C’est-à-dire que VGS < VT
- Un PMOS se comporte comme un commutateur fermé lorsque la tension grille-drain, VGD, est inférieure à la tension de seuil, VT. C’est-à-dire que VGD < VT
- Un PMOS se comporte comme un commutateur ouvert lorsque la tension grille-drain, VGD, est supérieure à la tension de seuil, VT. C’est-à-dire que VGD > VT
Notez que la Tension de Seuil d’un MOSFET, VT, est la tension minimale appliquée au terminal de grille pour que le principal canal entre les bornes de drain et source commence à conduire. De plus, puisque le eMOSFET est principalement utilisé comme dispositif de commutation, il fonctionne généralement entre ses régions de coupure et de saturation, de sorte que VGS agit comme une tension de contrôle ON/OFF pour le MOSFET.
Le commutateur idéal
Un commutateur analogique idéal créerait une condition de court-circuit lorsqu’il est fermé et une condition de circuit ouvert lorsqu’il est ouvert, de manière similaire à un commutateur mécanique.
Cependant, les commutateurs analogiques à état solide ne sont pas idéaux, car il y a toujours une certaine perte associée au canal de conduction en raison de sa valeur résistive lorsqu’il est ON.
Nous aimerions penser que si nous appliquons un signal à son pin d’entrée, cela entraînerait que le signal soit identique et sans perte au pin de sortie, et vice versa. Cependant, bien que les commutateurs CMOS fassent d’excellentes portes de transmission, leur résistance d’état “ON”, RON, peut être de plusieurs ohms, créant une perte de puissance I2*R, tandis que leur résistance d’état “OFF” peut être de plusieurs milliers d’ohms, permettant à des picoampères de courant de continuer à circuler à travers le canal.
Néanmoins, la capacité des transistors à effet de champ en métal-oxyde complémentaires de fonctionner comme des commutateurs analogiques et des portes de transmission reste élevée, et les dispositifs MOSFET, en particulier le MOSFET à amélioration qui nécessite qu’une tension soit appliquée à la grille pour le faire “ON” et aucune tension pour le faire “OFF”, sont les transistors de commutation les plus couramment utilisés.
Le commutateur NMOS
Le transistor à semi-conducteur métal-oxyde à canal n (NMOS) peut être utilisé comme porte de transmission pour le passage de signaux analogiques. En supposant que les bornes de drain et de source sont identiques, l’entrée est connectée à la borne Drain et le signal de contrôle à la borne grille comme montré.
NMOS FET comme commutateur analogique
Lorsque la tension de contrôle, VC, sur la grille est zéro (LOW), le terminal de la grille ne sera pas positif par rapport à l’un ou l’autre des terminaux d’entrée (drain) ou du terminal de sortie (source). Ainsi, le transistor est dans sa région de coupure et les terminaux d’entrée et de sortie sont isolés l’un de l’autre. Le NMOS agit donc comme un commutateur ouvert donc toute tension à l’entrée ne sera pas transmise à la sortie.
Lorsqu’il y a une tension de contrôle positive +VC à la borne de grille, le transistor est mis “ON” et dans sa région de saturation agissant comme un commutateur fermé. Si la tension d’entrée, VIN, est positive et supérieure à VC, le courant circulera de la borne de drain à la borne de source, connectant ainsi VOUT à VIN.
Cependant, si VIN devient zéro (LOW) alors que la tension de contrôle de la grille est toujours positive, le canal du transistor reste ouvert mais la tension drain-source, VDS, est zéro, donc aucun courant de drain ne circule à travers le canal et donc la tension de sortie est zéro.
Par conséquent, tant que la tension de contrôle de la grille, VC, est HAUTE, le transistor NMOS transmet la tension d’entrée à la sortie. S’il est BAS, le transistor NMOS est mis “OFF”, et le terminal de sortie est déconnecté de l’entrée. Ainsi, la tension de contrôle, VC, à la grille détermine si le transistor est “ouvert” ou “fermé” comme un commutateur.
Un problème ici avec le commutateur NMOS est que la tension grille-source, VGS, doit être significativement supérieure à la tension de seuil du canal pour le faire complètement ON, sinon il y aura une réduction de tension à travers le canal. Ainsi, le dispositif NMOS ne peut transmettre qu’un niveau logique “1” (HIGH) “faible”, mais un “0” logique “fort” (LOW) sans perte.
Le commutateur PMOS
Le transistor à semi-conducteur métal-oxyde à canal p (PMOS) est similaire mais a une polarité opposée au dispositif NMOS précédent avec un courant circulant dans la direction opposée, de la source au drain. Pour un dispositif PMOS, l’entrée est connectée au terminal Source et le signal de contrôle à la borne de grille comme montré.
PMOS FET comme commutateur
Pour le FET PMOS, lorsque la tension de contrôle, VC, sur la grille est zéro et donc plus négative par rapport à l’un ou l’autre des terminaux d’entrée (source) ou du terminal de sortie (drain), le transistor est “ON” et dans sa région de saturation agissant comme un commutateur fermé. Si la tension d’entrée, VIN, est positive et supérieure à VC, le courant circulera du terminal Source au terminal Drain, c’est-à-dire que ID sort du drain donc reliant VIN à VOUT.
Si la tension d’entrée, VIN, devient zéro (LOW) alors que la tension de contrôle de la grille est toujours zéro ou négative, le canal PMOS est toujours ouvert mais la tension source-drain, VSD, est zéro, donc aucun courant ne circule à travers le canal et donc la tension à la sortie (drain) est zéro.
Lorsque la tension de contrôle positive +VC est présente à la borne de grille, le canal du transistor PMOS est mis “OFF” et dans sa région de coupure agissant comme un commutateur ouvert. Ainsi, aucun courant de drain, ID, ne circule à travers le canal de conduction.
Par conséquent, tant que la tension de contrôle de la grille, VC, est BASSE (ou négative), le transistor PMOS passera la tension d’entrée à la sortie. S’il est ÉLEVÉ, le transistor PMOS est mis “OFF”, et le terminal de sortie est déconnecté de l’entrée. Ainsi, tout comme avec le précédent dispositif NMOS, la tension de contrôle, VC, à la grille détermine si le transistor est “ouvert” ou “fermé” comme un commutateur.
Le problème avec le commutateur PMOS est que la tension grille-source, VGS, doit être significativement inférieure à la tension de seuil du canal pour le faire complètement “OFF”, sinon le courant continuera à circuler à travers le canal. Ainsi, le dispositif PMOS peut transmettre un niveau “fort” de logique “1” (HIGH) sans perte, mais un niveau “faible” de logique “0” (LOW).
Nous pouvons remarquer que pour un dispositif NMOS, une tension de grille-source positive entraîne un flux de courant dans une direction du drain vers la source, tandis que pour le dispositif PMOS, une tension de grille-source négative entraîne un courant circulant dans la direction inverse du source vers le drain.
Cependant, le dispositif NMOS ne transmet qu’un “0” fort mais un “1” faible, tandis que le dispositif PMOS transmet un “1” fort mais un “0” faible. Ainsi, en combinant les caractéristiques des dispositifs NMOS et PMOS, il est possible de transmettre à la fois un “0” logique fort ou un “1” logique fort dans chaque direction sans dégradation. Cela constitue alors la base d’une Porte de Transmission.
Porte de Transmission
En connectant les dispositifs PMOS et NMOS ensemble en parallèle, nous pouvons créer un commutateur CMOS bilatéral de base, communément appelé “Porte de Transmission”. Notez que les portes de transmission sont très différentes des portes logiques CMOS conventionnelles, car la porte de transmission est symétrique, ou bilatérale, c’est-à-dire que l’entrée et la sortie sont interchangeables. Ce fonctionnement bilatéral est illustré par le symbole de la porte de transmission ci-dessous, qui montre deux triangles superposés pointant dans des directions opposées pour indiquer les deux directions de signal.
Porte de Transmission CMOS
Deux transistors MOS sont connectés dos à dos en parallèle avec un inverseur utilisé entre la grille du NMOS et du PMOS pour fournir les deux tensions de contrôle complémentaires. Lorsque le signal de contrôle d’entrée, VC, est BAS, les transistors NMOS et PMOS sont coupés et le commutateur est ouvert. Lorsque VC est élevé, les deux dispositifs sont polarisés pour la conduction et le commutateur est fermé.
Cependant, la porte de transmission agit comme un commutateur “fermé” lorsque VC = 1, tandis que la porte agit comme un commutateur “ouvert” lorsque VC = 0, fonctionnant comme un commutateur contrôlé par la tension. Le cercle de symbole indiquant la grille du FET PMOS.
Expression Booléenne de la Porte de Transmission
Comme avec les portes logiques traditionnelles, nous pouvons définir le fonctionnement d’une porte de transmission à l’aide à la fois d’un tableau de vérité et d’une expression booléenne comme suit.
Tableau de vérité de la Porte de Transmission
| Symbole | Tableau de vérité | ||
Porte de Transmission
|
Contrôle | A | B |
| 1 | 0 | 0 | |
| 1 | 1 | 1 | |
| 0 | 0 | Hi-Z | |
| 0 | 1 | Hi-Z | |
| Expression Booléenne B = A.Control | Se lit comme A ET Cont. donne B | ||
Nous pouvons voir à partir du tableau de vérité ci-dessus que la sortie à B dépend non seulement du niveau logique de l’entrée A, mais aussi du niveau logique présent sur l’entrée de contrôle. Ainsi, la valeur de niveau logique de B est définie comme A ET Contrôle, ce qui nous donne l’expression booléenne pour une porte de transmission de :
B = A.Control
Puisque l’expression booléenne d’une porte de transmission incorpore la fonction logique ET, il est alors possible d’implémenter cette opération à l’aide d’une porte AND standard à 2 entrées avec une entrée étant l’entrée des données et l’autre étant l’entrée de contrôle comme montré.
Implémentation de la porte AND
Un autre point à considérer au sujet des portes de transmission, un seul NMOS ou un seul PMOS à lui seul peut être utilisé comme un commutateur CMOS, mais la combinaison des deux transistors en parallèle présente certains avantages. Un canal FET est résistif, donc les résistances ON des deux transistors sont effectivement connectées en parallèle.
Comme la résistance ON des FET est une fonction de la tension grille-source, VGS, lorsqu’un transistor devient moins conducteur en raison de la polarisation de la grille, l’autre transistor prend le relais et devient plus conducteur. Ainsi, la valeur combinée des deux résistances ON (aussi basse que 2 ou 3Ω) reste plus ou moins constante que ce serait le cas pour un seul transistor de commutation à lui seul.
Nous pouvons le démontrer dans le diagramme suivant.
Résistance ON de la porte de transmission
Résumé de la porte de transmission
Nous avons vu ici qu’en connectant un FET à canal P (PMOS) avec un FET à canal N (NMOS), nous pouvons créer un commutateur à état solide qui est contrôlé numériquement à l’aide de tensions de niveau logique et qui est couramment appelé une “porte de transmission”.
La Porte de Transmission (PT) est un commutateur bilatéral où n’importe lequel de ses terminaux peut être l’entrée ou la sortie. En plus des terminaux d’entrée et de sortie, la porte de transmission a une troisième connexion appelée contrôle, où l’entrée de contrôle détermine l’état de commutation de la porte en tant que commutateur ouvert ou fermé (NO/NC).
Cette entrée est généralement entraînée par un signal logique numérique qui alterne entre le sol (0V) et une tension continue fixe, généralement VDD. Lorsque l’entrée de contrôle est basse (Contrôle = 0), le commutateur est ouvert, et lorsque l’entrée de contrôle est ÉLEVÉE (Contrôle = 1), le commutateur est fermé.
Les portes de transmission fonctionnent comme des commutateurs contrôlés par la tension, et étant des commutateurs, les portes de transmission CMOS peuvent être utilisées pour commutation à la fois analogiques et numériques en passant sur toute la gamme de tensions (de 0V à VDD) dans les deux directions, ce qui, comme discuté, n’est pas possible avec un seul dispositif MOS.
La combinaison d’un transistor NMOS et d’un transistor PMOS ensemble dans une seule porte signifie que le transistor NMOS transmettra un bon “0” logique, mais un mauvais “1” logique, tandis que le transistor PMOS transfère un bon “1” logique, mais un mauvais “0” logique. Par conséquent, connecter un transistor NMOS avec un transistor PMOS en parallèle fournit un seul commutateur bilatéral qui offre une capacité de conduite de sortie efficace pour les portes logiques CMOS contrôlées par un seul niveau logique d’entrée.
