Interruttori Digitali - Corsi di Laurea a Distanza

Interruttori Digitali
Ing. Ivan Blunno
21 aprile 2005
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Introduzione
In questa dispensa verranno presentati gli interruttori digitali. In particolar
modo si parlerà delle possibili realizzazioni mediante transistor MOS. L’ultimo
paragrafo contiene delle considerazioni comparative tra le diverse realizzazioni
e qualche accenno a possibili utilizzi degli interruttori digitali.
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Pass Transistor
L’utilizzo di un solo transistor è il caso più semplice di interruttore digitale.
Questa particolare realizzazione è detta pass transistor e può essere realizzata
utilizzando transistor di tipo N o di tipo P. Verranno analizzate entrambe le
configurazioni.
2.1
Pass transistor di tipo N
Consideriamo il circuito rappresentato in figura 1.a.
Il condensatore rappresenta un generico carico capacitivo (ad esempio il gate
di una porta logica CMOS). Il segnale VG rappresenta il segnale di controllo
dell’interruttore. Nel caso del pass transistor di tipo N, un segnale VG a livello
alto (VDD ) chiude l’interruttore, mentre un segnale a livello basso (0) lo apre.
Consideriamo due casi distinti:
• VC = 0, Vin = VDD
Ovviamente, finché VG = 0 il transistor è interdetto ed il condensatore resta scarico (l’interruttore è aperto). Con riferimento alla figura 2.a
imponiamo VG = VDD .
All’inizio VS = 0, VGS = VDD , VDS = VDD . Poiché VGS = VDS il transistor si troverà in saturazione ed il condensatore si caricherà con una
corrente IDS = β2 · (VGS − VT )2 . Il condensatore continua a caricarsi finché la corrente non diventa nulla. Questo avviene per VGS − VT = 0.
Poiché VG = VDD , questa condizione si verifica per VDD − VS − VT = 0
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VG
Vin
Vin
VC
VG
VC
a)
b)
Figura 1: Pass transistor di tipo N (a) e suo equivalente ideale (b)
D
I DS
G
D
S
I DS
G
S
a)
b)
Figura 2: Pass transistor di tipo N durante la carica (a) e la scarica (b) del
condensatore
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e quindi per VS = VDD − VT . Per questo valore di VS la corrente diventa nulla ed il condensatore per tanto non si caricherà più. A regime la
tensione sul condensatore sarà pertanto VC = VDD − VT .
• VC = VDD , Vin = 0
Questo è il caso simmetrico al precedente ed è rappresentato in figura 2.b.
Anche in questo caso nulla avviene fin tanto che VG = 0. All’inizio, appena
imponiamo VG = VDD si ha che VD = VDD , VGS = VDD , VDS = VDD .
Poiché VGS = VDS il transistor si troverà in saturazione ed il condensatore
si scaricherà con una corrente IDS = β2 · (VGS − VT )2 . Quando VD scende
abbastanza da comportare che VDS < VGS − VT il transistor entra in zona
triodo ed il condensatore continua a scaricarsi con una corrente IDS =
V2
β · [(VGS − VT ) · VDS − DS
2 ].
VD continuerà a scendere comportando VDS ¿ VGS − VT e portando il
transistor in zona lineare. Il condensatore si scaricherà ancora con una
corrente IDS = β · (VGS − VT ) · VDS . Il transistor si interdirà solo per
VDS = 0 e cioè quando VD = 0. A regime la tensione sul condensatore
sarà pertanto VC = 0.
Da questa analisi risulta chiaro che il pass transistor di tipo N è un buon
interruttore digitale quando si tratta di condurre uno 0 logico ma è scarso
come conduttore di 1 logico, in quanto in realtà non riesce a condurre più
di VDD − VT mentre un interruttore ideale condurrebbe esattamente VDD .
2.2
Pass transistor di tipo P
Un’analisi analoga può essere condotta utilizzando come interruttore un
transistor PMOS. I risultati sarebbero analoghi a quelli visti nel paragrafo
precedente con due differenze sostanziali:
1. Il pass transistor di tipo P è chiuso quando il segnale di controllo
VG = 0 mentre è aperto per VG = VDD .
2. il pass transistor di tipo P è un buon interruttore digitale quando
si tratta di condurre un 1 logico, ma è scarso come conduttore di 0
logico, in quanto in realtà non riesce a condurre meno di |VT |, mentre
un interruttore ideale condurrebbe esattamente 0.
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Transmission gate
Da quanto visto nel paragrafo precedente risulta chiaro che:
• Il transistor NMOS è un buon interruttore per lo 0 logico.
• Il transistor PMOS è un buon interruttore per l’1 logico.
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C
A
B
C
Figura 3: Tansmission gate: realizzazione circuitale.
C
A
C
B
A
C
B
C
Figura 4: Tansmission gate: simboli circuitali.
Da queste ragioni nasce l’idea di realizzare un dispositivo che approssimi il
funzionamento di un interruttore ideale in modo più affidabile, anche al costo
di area maggiore. Il transmission gate è di fatto l’accoppiamento in parallelo di
un transistor NMOS e di uno PMOS come mostrato in figura 3.
I nodi A e B sono i terminali dell’interruttore mentre i nodi C e C sono i
terminali di controllo. Il dispositivo cosı̀ ottenuto è un buon conduttore sia di 1
logico che di 0 logico. Il prezzo pagato è il raddoppio dell’area rispetto al pass
transistor. Proprio per questa ragione, in applicazioni in cui l’area è una risorsa
importante (ad esempio per le memorie) la soluzione ad un solo transistor è
preferibile.
In figura 4 sono mostrati alcuni simboli circuitali che rappresentano il transmission gate.
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4
Conclusioni
In conclusione sono stati mostrate le seguenti possibili realizzazioni di interruttore digitale mediante transistro MOS con i relativi vantaggi e svantaggi:
Pass Transistor tipo N . Conduce bene lo 0 logico e occupa l’area di un solo
transistor, ma conduce male l’1 logico.
Pass Transistor tipo P . Conduce bene l’1 logico e occupa l’area di un solo
transistor, ma conduce male lo 0 logico.
Transmission Gate . Conduce bene sia lo 0 logico che l’1 logico, ma occupa
l’area di due transistor.
Gli interruttori digitali vengono comunemente utilizzati all’interno di porte
logiche e driver tristate, logica dinamica, flip-flop, memorie, etc...
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