Cổng truyền, còn được gọi là công tắc tương tự, là một linh kiện điện tử được thiết kế để điều khiển việc truyền các mức tín hiệu từ đầu vào đến đầu ra. Công tắc trạng thái rắn này bao gồm một bóng bán dẫn PMOS và một bóng bán dẫn NMOS để hỗ trợ cả hai trạng thái logic (Cao và Thấp). Bằng cách phân cực các cổng điều khiển bổ sung, cả hai bóng bán dẫn có thể được bật hoặc tắt cùng lúc. Thông thường, các cổng truyền là song hướng. Điều này có nghĩa là tín hiệu có thể chảy từ đầu vào đến đầu ra và ngược lại.

Biểu tượng và sơ đồ cổng truyền

Để tạo ra một cổng truyền, hai bóng bán dẫn MOS (một PMOS và một NMOS) được sắp xếp song song. Có một bộ biến tần được đặt giữa các đầu cực cổng của bóng bán dẫn NMOS và PMOS để cung cấp điện áp điều khiển bổ sung. Điều này là do NMOS bật khi cổng ở mức cao trong khi PMOS bật khi cổng ở mức thấp. Khi tín hiệu CONTROL ở mức thấp (không), cả bóng bán dẫn NMOS và PMOS đều ở trạng thái cắt, dẫn đến công tắc mở. Ngược lại, khi CONTROL ở mức cao (một), cả hai bóng bán dẫn đều có xu hướng dẫn điện, đóng công tắc một cách hiệu quả.

Do đó, cổng truyền hoạt động như một công tắc “đóng” khi CONTROL = 1 và hoạt động như một công tắc “mở” khi CONTROL = 0, đóng vai trò như một công tắc điều khiển điện áp. Ký hiệu biểu thị cổng của PMOS FET được chỉ ra bằng một bong bóng.

Nguyên lý hoạt động của cổng truyền

Để nắm bắt chức năng của một cổng truyền, điều cần thiết là phải hiểu các hoạt động của các công tắc/cổng truyền NMOS-only và PMOS-only riêng biệt. Chúng ta sẽ cố gắng hiểu hành vi khi các bóng bán dẫn được bật. Khi các bóng bán dẫn được tắt, đầu ra trở thành một nút High-Z. High-Z có nghĩa là điện trở đầu vào của nút rất cao (mạch hở).

Công tắc hoặc cổng truyền chỉ có NMOS

Trong công tắc NMOS, cực cổng được nối với VDD, và thân được nối với VSS để bật bóng bán dẫn. Nếu xung tăng được đưa vào đầu vào, chúng ta có thể thấy rằng đầu ra đang tăng chậm đến VDD – Vtn. Vtn là ngưỡng của bóng bán dẫn NMOS. Lý tưởng nhất là nó sẽ tăng nhanh và tăng lên đến VDD. Dạng sóng đang tăng chậm vì VGS của NMOS đang giảm, làm tăng điện trở kênh (Rds,on). Điều này làm giảm dòng điện để sạc bất kỳ tụ điện ký sinh nào (Cp) ở đầu ra. Dòng điện giảm xuống bằng không và Rds,on trở thành vô hạn khi đầu ra đạt VDD-Vtn. Điều này không để đầu ra vượt quá VDD-Vtn.

Nếu một xung giảm được đưa vào đầu vào, chúng ta có thể thấy rằng đầu ra đang giảm nhanh xuống VSS. Dạng sóng đang giảm nhanh vì VGS của NMOS đang tăng, làm giảm điện trở kênh (Rds,on) nhanh chóng. Điều này làm tăng dòng điện để xả bất kỳ tụ điện ký sinh nào (Cp) ở đầu ra. Dòng điện xả tụ điện ký sinh xuống mức điện áp đầu vào (VSS).

Vì vậy, chúng ta có thể quan sát thấy NMOS hoạt động rất tốt khi có dạng sóng giảm dần ở đầu vào.

Công tắc hoặc cổng truyền tải chỉ PMOS

Trong công tắc PMOS, cực cổng được gắn với VSS và thân được gắn với VDD để bật bóng bán dẫn. Nếu một xung giảm được đưa vào đầu vào, chúng ta có thể thấy rằng đầu ra đang giảm chậm xuống Vtp. Vtp là ngưỡng của bóng bán dẫn PMOS. Lý tưởng nhất là nó sẽ giảm nhanh và giảm lên đến VSS. Dạng sóng đang giảm chậm vì VSG của NMOS đang giảm, làm tăng điện trở kênh (Rds,on). Điều này làm giảm dòng điện để sạc bất kỳ tụ điện ký sinh nào (Cp) ở đầu ra. Dòng điện giảm xuống bằng không và Rds,on trở thành vô hạn khi đầu ra đạt Vtp. Điều này không để đầu ra xuống dưới Vtp.

Nếu một xung tăng được đưa vào đầu vào, chúng ta có thể thấy rằng đầu ra đang tăng nhanh đến VDD. Dạng sóng đang tăng nhanh vì VSG của NMOS đang tăng, làm giảm điện trở kênh (Rds,on) nhanh chóng. Điều này làm tăng dòng điện để sạc bất kỳ tụ điện ký sinh nào (Cp) ở đầu ra. Dòng điện sạc tụ điện ký sinh đến mức điện áp đầu vào (VDD).

Vì vậy, chúng ta có thể quan sát thấy PMOS hoạt động rất tốt khi có dạng sóng tăng ở đầu vào.

NMOS và PMOS song song

Khi có một đầu vào tăng ở đầu vào của cổng truyền, đầu ra của NMOS sẽ ngừng di chuyển vượt quá VDD-Vtn, tuy nhiên PMOS cung cấp dòng điện cần thiết cho tụ điện ký sinh để sạc đến VDD.

Khi có một đầu vào giảm xuống ở đầu vào của cổng truyền, đầu ra của PMOS sẽ ngừng di chuyển xuống dưới Vtp, tuy nhiên NMOS vẫn cung cấp dòng điện cần thiết để tụ điện ký sinh xả điện tới VSS.

Điện trở tương đương tổng thể (RTG=Rds,pmos||Rds,nmos) của cổng truyền (TG) vẫn ổn định liên tục, hầu như không phụ thuộc vào điện áp đầu ra. Ngược lại, điện trở tương đương riêng biệt của bóng bán dẫn NMOS và PMOS cho thấy sự phụ thuộc đáng kể vào Vin hoặc Vout. Thuộc tính này của cổng truyền CMOS vốn có lợi thế và mong muốn.

Mô hình cổng truyền dẫn cho phân tích mạch

Cổng truyền có thể được mô hình hóa như một công tắc đóng cung cấp RTG điện trở tối thiểu. Khi cổng truyền mở, công tắc có thể được coi là mở. Mô hình này được sử dụng rộng rãi trong mô hình mạch Sample và Hold trong ADC. RTG thực chất là điện trở phi tuyến tính, là nguồn chính gây méo tiếng trong ADC. Để giải quyết vấn đề này, các cổng truyền Bootstrapped được sử dụng để giữ RTG thậm chí còn không đổi hơn.

Bảng chân lý cổng truyền và bộ đệm ba trạng thái

Cổng truyền mở kết nối giữa A và B khi Control bằng 0. Đó là lý do tại sao đầu ra chuyển sang chế độ High-Z, tại đó điện trở của nút B rất cao. Khi control cao, tín hiệu tại A được phép di chuyển đến B. Xin lưu ý rằng bảng chân lý của cổng truyền hiện bao gồm ba trạng thái là 0, 1 và High-Z. Đó là lý do tại sao cổng truyền cũng được gọi là bộ đệm Tristate.

Mã Verilog cổng truyền

module gate_modeling(
  input A, ctrl,
  output B_bufif1,
  output B_bufif0
  );

  //transmission-gate with control signal
  bufif1(B_bufif1, A, ctrl);
  //transmission-gate with inverted control signal
  bufif0(B_bufif0, A, ctrl);

endmodule

Bộ ghép kênh cổng truyền (MUX)

Khi tín hiệu điều khiển S0 ở trạng thái thấp, cổng truyền trên sẽ kích hoạt, cho phép I0 đi qua. Đồng thời, cổng truyền dưới sẽ ngừng hoạt động, vô hiệu hóa việc I1 đi qua nó. Do đó, đầu ra trở nên bằng I0.

Tương tự, khi tín hiệu điều khiển S0 ở trạng thái cao, cổng truyền trên sẽ ngừng hoạt động, cắt đứt đường đi của I0 qua nó. Đồng thời, cổng truyền dưới sẽ hoạt động cho phép I1 đi qua nó. Do đó, đầu ra trở nên bằng I1.

Cổng truyền này (trong Hình 10) cũng có thể truyền tín hiệu tương tự.

Để cô lập đầu vào khỏi logic liên tiếp và tăng fan-out của cổng truyền, có thể thêm bộ biến tần như thể hiện trong hình trên. Do thêm bộ biến tần, cổng truyền này không còn hỗ trợ tín hiệu tương tự nữa. Bây giờ, nó chỉ có thể hỗ trợ tín hiệu số.

Ứng dụng cổng truyền

1. Cổng truyền đóng vai trò là thành phần cơ bản trong việc xây dựng mạch logic, bao gồm các thành phần như D Latch hoặc D Flip-Flop .
2. Cổng truyền được sử dụng để lấy mẫu và giữ mạch trong ADC . Công tắc đóng khi tụ điện mẫu cần được sạc đến điện áp đầu vào. Công tắc mở khi tụ điện cần giữ điện tích trong khi đầu vào thay đổi.
3. Ngoài ra, cổng truyền có khả năng cô lập các thành phần khỏi các tín hiệu đang hoạt động trong các quá trình như đưa vào hoặc tháo ra khi nóng.
4. Trong các ứng dụng bảo mật, các cổng này có thể được sử dụng để ngăn chặn có chọn lọc việc truyền các tín hiệu hoặc dữ liệu quan trọng trừ khi có sự cho phép kiểm soát phần cứng phù hợp, tăng thêm một lớp bảo mật và kiểm soát cho hệ thống.

‍