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Das Wunder der CMOS-Technologie: Wie ermöglicht man elektronischen Schaltern eine bidirektionale Übertragung?
In modernen elektronischen Geräten ist eine schnelle, flexible und effiziente Signalübertragung entscheidend. Transmission Gate (TG) ist ein neuartiger elektronischer Schalter, der wie ein Relais funktioniert und Signale in beide Richtungen übertragen kann, was zahllose Anwendungen revolutionär verändert.
Struktur des Übertragungstors
Das Transfergatter besteht aus zwei Feldeffekttransistoren (FETs) und ist in CMOS-Technologie ausgelegt. Bei diesem Design sind PMOS- und NMOS-Transistoren parallel geschaltet, wobei ihre jeweiligen Zeilen- und Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind, während ihre Gate-Anschlüsse über einen Inverter (NOT-Gate) verbunden sind. Darüber hinaus sind die Substratanschlüsse dieser Transistoren mit der Stromversorgung verbunden, um sicherzustellen, dass parasitäre Substratdioden in Sperrrichtung vorgespannt sind, um Störungen des Signalflusses zu verhindern.
PMOS-Transistoren von Übertragungsgattern können die logische „1“ stark übertragen, während sich NMOS-Transistoren auf die Übertragung der logischen „0“ konzentrieren.
Funktion des Transmission Gates
Der Betrieb des Transmission Gates hängt vom Steuereingangssignal ab. Wenn der Steuereingang logisch Null ist, leiten weder der NMOS- noch der PMOS-Transistor, sodass das Transfergatter in einem geschlossenen Zustand bleibt. Wenn das Steuersignal auf logisch Eins wechselt, beginnt der NMOS zu leiten und das Übertragungsgatter beginnt zu arbeiten.
Dieses Design stellt sicher, dass der Signalfluss in verschiedenen Spannungsbereichen frei gesteuert werden kann, was die Flexibilität des elektronischen Systems erheblich verbessert.
Anwendungsszenarien
Elektronischer Schalter
Bei der Implementierung elektronischer Schalter werden Übertragungsgatter häufig in analogen Multiplexern verwendet. Nehmen Sie als Beispiel den bidirektionalen Vierwegeschalter Typ 4066. Dieses Gerät kann verschiedene analoge und digitale Signale verarbeiten und wurde von vielen Herstellern auf den Markt gebracht.
Analog-Multiplexer
In vielen Mixed-Signal-Systemen werden analoge Multiplexer verwendet, um mehrere analoge Eingangskanäle an einen einzigen Analog-Digital-Wandler zu leiten und so die Gesamtsystemeffizienz zu verbessern.
Logikschaltung
Im Logikschaltungsdesign können Übertragungsgatter auch herkömmliche CMOS-Pull-up- und -Pull-down-Netzwerke ersetzen. Dieser innovative Ansatz ermöglicht Schaltungsdesigns mit Vorteilen hinsichtlich Sicherheit und Kompaktheit.
Negative Spannungsanwendung
Neben herkömmlichen digitalen Signalen können Transmission Gates auch bei Vorhandensein von Wechselspannungen, beispielsweise Audiosignalen, schalten. In diesem Fall muss jedoch die negative Versorgungsspannung kleiner als die minimale Signalspannung sein, um sicherzustellen, dass die Substratdiode nicht leitet.
Der 4053-Standardchip mit einem Transmission-Gate wird häufig für die analoge Eingangsauswahl in Audioverstärkern verwendet und demonstriert seine Flexibilität und Funktionalität.
Blick in die Zukunft
Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird sich die Anwendung der CMOS-Technologie und Transmission Gates weiter auf komplexere Systeme und Szenarien ausweiten. Werden wir in Zukunft fortschrittlichere Transmission-Gate-Designs sehen, um die Leistung und Effizienz der Signalverarbeitung weiter zu verbessern?
