Logica a pass-transistor - transmission gate(37)

 La nuova famiglia logica dei pass-transistor è un'importante applicazione digitale dei transistori a effetto di campo. Un pass-transistor singolo ha l'obiettivo di riportare sull'uscita lo stesso valore presente sull'ingresso. Un esempio è rappresentato in figura 1.

Figura 1: pass-transistor di tipo n (a sinistra) e di tipo p (a destra).

Un transistore MOS, in circuiti digitali, ha la funzione di interruttore controllato da un segnale digitale, il quale può dunque assumere solo valore alto o valore basso. In particolare, il transistore nMOS può essere visto come un interruttore normalmente aperto (NO), che viene chiuso quando il segnale sul gate assume valore alto; al contrario, il transistore pMOS può essere visto come un interruttore normalmente chiuso (NC), che viene aperto nel momento in cui il segnale sul gate assume valore alto.

Allo stesso modo, il pass-transistor di tipo n (tipo p) acceso è come un interruttore chiuso (aperto) e consente il flusso della corrente. La capacità sull'uscita serve a mantenere il valore anche nel momento in cui si spegne il transistore.

La figura 2 mostra la tabella di funzionamento di un pass-transistor di tipo n. Si consideri il segnale al terminale di gate sempre a valore alto. 

• Se l'uscita è identica all'ingresso, non avviene movimento di carica;
• Quando l'ingresso è al valore basso e l'uscita al valore alto, allora al momento dell'accensione del MOS deve avvenire un transitorio di scarica del condensatore (figura 2 percorso rosso).  Il terminale d'uscita è il drain (è al potenziale maggiore) e l'ingresso il source (potenziale minore);
• al contrario, quando l'ingresso è al valore alto e l'uscita al valore basso, non appena il MOS viene acceso, si verifica un transitorio di carica del condensatore (figura 2 percorso azzurro). Il terminale a potenziale più alto è quello di ingresso, che assumerà la funzione di drain. Ovviamente, l'uscita è il source. 

figura 2: funzionamento di un pass- transistor di tipo n.

Nel caso della scarica del condensatore, avviene lo stesso fenomeno già osservato per il calcolo del tempo di propagazione di un invertitore CMOS: la capacità si scarica attraverso l'nMOS di pull-down e l'uscita è identicamente nulla.

Nella fase di carica, l'ingresso è pari all'alimentazione, ma anche il gate è connesso allo stesso nodo di alimentazione (figura 3)

Figura 3: carica della capacità tramite pass-transistor.

Si tratta di un transistore nMOS saturo. La corrente si annulla quando

il risultato ottenuto afferma che il valore alto in uscita a un pass-transistor di tipo n è pari alla differenza tra alimentazione e soglia, detto anche 1 debole. Il valore basso è pari a zero, e si dice 0 forte.

Il caso del pMOS pass-transistor è leggermente differente. In figura 4 è mostrata la tabella di funzionamento. Si consideri il terminale di gate al valore basso.

Figura 4: funzionamento del pass-transistor di tipo p.

• Quando l'ingresso è al valore basso e l'uscita al valore alto, allora al momento dell'accensione del MOS deve avvenire un transitorio di scarica del condensatore (figura 4 in rosso). Il terminale di uscita è al potenziale maggiore (source del pMOS);
• Quando l'ingresso è al valore alto e l'uscita al valore basso,  allora il procedimento è ora il transitorio di carica del condensatore (figura 4 in verde). Il terminale a potenziale maggiore sarà l'ingresso, che assume il ruolo del terminale di source.

Nella fase di scarica della capacità, la stessa capacità si scarica attraverso un pMOS con gate e drain in cortocircuito. Significa che il pMOS è in saturazione, e la corrente di drain si annulla quando

il risultato ottenuto, al contrario del caso dell'nMOS, rende la condizione che il valore basso in uscita è pari alla tensione di soglia, e si definisce zero debole.

Nella fase di carica della capacità, invece, il condensatore si carica tramite la corrente di drain. La corrente si annulla nel momento in cui la tensione tra drain e source è pari a zero. 

Il valore dell'uscita risultante è pari all'alimentazione stessa. Si dice che il valore alto di un pass-transistor a canale p è un 1 forte.

Riassumendo i risultati:

Transmission gate

Il transmission gate, in italiano ponte di trasmissione, è l'analogo dell'invertitore CMOS: pur non avendo in sé la funzione di invertitore, è la composizione in parallelo di due pass-transistor, uno a canale p e uno a canale n, comandati ai rispettivi gate da un segnale complementare (figura 5).

Figura 5: circuito transmission gate.

Il vantaggio del transmission gate, rispetto ai singoli pass-transistor, che si tratti di canale p o canale n, sta nella completa escursione al segnale di uscita: se l'ingresso è alto, anche l'uscita, all'accensione del transmission gate, raggiunge il valore alto pieno. Stesso ragionamento per il valore basso.

Il simbolo circuitale è raffigurato in figura 6:

Figura 6: simbolo del transmission gate.

L'inserimento di un cerchio in corrispondenza del segnale di controllo S (figura 7) simboleggia la presenza di uno scambio di complementarietà: il segnale di controllo negato è collegato direttamente al gate del pass-transistor di tipo n. Il segnale non negato è collegato direttamente al pMOS.

Figura 7: pass-transistor a segnale di controllo invertito.