Interruttori Digitali Ing. Ivan Blunno 21 aprile 2005 1 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. 2 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 onsideriamo il circuito rappresentato in figura 1.a. Il condensatore rappresenta un generico carico capacitivo (ad esempio il gate di una porta logica MOS). Il segnale V G rappresenta il segnale di controllo dell interruttore. Nel caso del pass transistor di tipo N, un segnale V G a livello alto (V DD ) chiude l interruttore, mentre un segnale a livello basso (0) lo apre. onsideriamo due casi distinti: V = 0, V in = V DD Ovviamente, finché V G = 0 il transistor è interdetto ed il condensatore resta scarico (l interruttore è aperto). on riferimento alla figura 2.a imponiamo V G = V DD. All inizio V S = 0, V GS = V DD, V DS = V DD. Poiché V GS = V DS il transistor si troverà in saturazione ed il condensatore si caricherà con una corrente I DS = β 2 (V GS V T ) 2. Il condensatore continua a caricarsi finché la corrente non diventa nulla. Questo avviene per V GS V T = 0. Poiché V G = V DD, questa condizione si verifica per V DD V S V T = 0 1
V G V in V in V G V V a) b) Figura 1: Pass transistor di tipo N (a) e suo equivalente ideale (b) D G I DS 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 2
e quindi per V S = V DD V T. Per questo valore di V S la corrente diventa nulla ed il condensatore per tanto non si caricherà più. A regime la tensione sul condensatore sarà pertanto V = V DD V T. V = V DD, V in = 0 Questo è il caso simmetrico al precedente ed è rappresentato in figura 2.b. Anche in questo caso nulla avviene fin tanto che V G = 0. All inizio, appena imponiamo V G = V DD si ha che V D = V DD, V GS = V DD, V DS = V DD. Poiché V GS = V DS il transistor si troverà in saturazione ed il condensatore si scaricherà con una corrente I DS = β 2 (V GS V T ) 2. Quando V D scende abbastanza da comportare che V DS < V GS V T il transistor entra in zona triodo ed il condensatore continua a scaricarsi con una corrente I DS = β [(V GS V T ) V DS V 2 DS 2 ]. V D continuerà a scendere comportando V DS V GS V T e portando il transistor in zona lineare. Il condensatore si scaricherà ancora con una corrente I DS = β (V GS V T ) V DS. Il transistor si interdirà solo per V DS = 0 e cioè quando V D = 0. A regime la tensione sul condensatore sarà pertanto V = 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 V DD V T mentre un interruttore ideale condurrebbe esattamente V DD. 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 V G = 0 mentre è aperto per V G = V DD. 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 V T, mentre un interruttore ideale condurrebbe esattamente 0. 3 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. 3
A B Figura 3: Tansmission gate: realizzazione circuitale. A B A B 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 e sono i terminali di controllo. Il dispositivo così 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. 4
4 onclusioni 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. onduce bene lo 0 logico e occupa l area di un solo transistor, ma conduce male l 1 logico. Pass Transistor tipo P. onduce bene l 1 logico e occupa l area di un solo transistor, ma conduce male lo 0 logico. Transmission Gate. onduce 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... 5