Thu. Aug 11th, 2022

Este artículo explora un enfoque alternativo, y en algunos casos ventajoso, para la implementación de funciones de lógica digital basada en MOSFET.

La amplia gama de circuitos digitales basados ​​en MOSFET se basa en el inversor CMOS. Este circuito simple pero extremadamente efectivo utiliza la combinación de un transistor NMOS y un transistor PMOS para generar señales de salida que, en condiciones normales de funcionamiento, siempre tienen una lógica alta o una lógica baja. El término lógica de transistor de paso se refiere a una forma diferente de circuitos MOSFET que no genera voltajes lógicos altos y lógicos bajos de la manera en que lo hacen los circuitos CMOS típicos. Para comprender mejor esta distinción, primero analicemos un detalle conceptual importante: ¿qué queremos decir realmente con "lógica alta" y "lógica baja"?

El camino de baja resistencia

La respuesta básica a esta pregunta es que la lógica alta indica una tensión en el riel de suministro, que representa un 1 binario, y una lógica baja indica una tensión en el suelo, que representa un 0. Esta descripción es un buen lugar para comenzar, y se vuelve más precisa si decimos "cerca del riel de suministro" y "cerca del suelo" en lugar de "en el riel de suministro" y "en el suelo". Esta modificación explica el hecho de que las corrientes que fluyen a través del canal del NMOS o PMOS crean un pequeño voltaje Diferencia entre fuente y drenaje.

Este problema de flujo de corriente a través del canal conduce a un aspecto más sutil, pero sin embargo crucial, de la funcionalidad típica de CMOS. Un inversor CMOS garantiza que el nodo de salida tendrá una baja resistencia conexión a la red ferroviaria o tierra; el inversor siempre tiene el conductor NMOS y el PMOS en corte o el conductor PMOS y el NMOS en corte. Por eso podemos decir que los circuitos CMOS conducir Una lógica baja o una lógica alta. También es la razón por la que los circuitos lógicos construidos alrededor de la topología del inversor son tan "digitales" de manera confiable: todos los nodos tienen un estado binario claramente definido porque siempre tienen una ruta de baja resistencia a la tensión de alimentación o a tierra.

La lógica de transistor de paso (PTL), también conocida como lógica de puerta de transmisión, se basa en el uso de MOSFET como conmutadores en lugar de como inversores. El resultado es (en algunos casos) una simplificación conceptual, pero se pierde la característica de salida de lógica alta / baja lógica del inversor CMOS.

Un ejemplo de lógica de paso-transistor

Es posible utilizar un solo transistor NMOS como un interruptor PTL; el interruptor se considera cerrado cuando la tensión aplicada a la compuerta es lógica alta y se considera abierta cuando la tensión aplicada a la compuerta es lógica baja. El siguiente diagrama muestra una compuerta AND (o al menos algo similar a una compuerta AND) que usa solo un transistor.

Tenga en cuenta que usaré los símbolos MOSFET "círculo frente a no círculo"; ver Este artículo para más información.

La salida (Y) tiene una lógica alta cuando la entrada (A) tiene una lógica alta y la señal de control de conmutación (B) tiene una lógica alta y no tiene una lógica alta para todas las demás combinaciones. Eso suena como la tabla de verdad AND, pero ¿podemos realmente llamar a esto una puerta AND? Eso depende de tu perspectiva. El problema es que el circuito no conducir una lógica baja cuando la entrada B es lógica baja. Simplemente está desconectado, es decir, flotando. Para establecer una lógica baja, necesitamos una resistencia desplegable:

Ahora tenemos una compuerta AND funcional, y hemos usado solo un transistor y una resistencia, mientras que una compuerta AND estándar basada en inversor CMOS requiere seis transistores. Sin embargo, el circuito PTL no es de ninguna manera equivalente a la versión CMOS estándar. En primer lugar, no proporciona de manera confiable un camino de baja resistencia a tierra. En segundo lugar, disipa la energía estática siempre que la salida sea lógica alta: la corriente fluye desde la entrada, a través del NMOS, a través de la resistencia de bajada, a tierra:

Esto significa que hemos perdido una propiedad extremadamente beneficiosa de la lógica basada en inversor, a saber, que la fuente de alimentación suministra cantidades significativas de corriente solo durante la conmutación. (Es por eso que la disipación de energía del CMOS es proporcional a la frecuencia: más conmutación significa más corriente y más corriente significa más potencia).

NMOS vs. CMOS en lógica de transistor de paso

Como se demostró en la sección anterior, PTL está construido alrededor de interruptores MOSFET que pasan (de ahí el nombre) o bloquean una señal. Usar un transistor NMOS como interruptor es sin duda una buena manera de reducir el conteo de transistores, pero un NMOS solitario no es impresionante en términos de rendimiento. Una solución mucho mejor es la puerta de transmisión CMOS:

El único NMOS y la compuerta de transmisión CMOS se comparan brevemente en este artículo. No hay duda de que la puerta de transmisión es, en general, la implementación superior, pero considere la compensación. Obviamente, se requiere un transistor adicional, pero también tenga en cuenta que el PMOS no es impulsado por la señal de control de conmutación sino por la complemento de la señal de control de conmutación. Esto no es un problema si el circuito que genera la señal de entrada es, por ejemplo, un flip-flop D que proporciona tanto una salida $$ Q $$ como una salida $$ overline {Q} $$. Sin embargo, por lo general, solo hay una señal de entrada disponible y, en tales casos, el uso de una puerta de transmisión CMOS significa que también debemos tener un inversor para crear la señal de control para el segundo FET.

Evaluación de la lógica del paso-transistor

En este punto, quizás se esté preguntando por qué me molesté en escribir un artículo sobre una versión tan decididamente mediocre de la lógica digital basada en MOSFET. El dominio abrumador de los circuitos CMOS estándar es suficiente para confirmar que la PTL tiene una utilidad limitada.

Sin embargo, es fundamental comprender que las implementaciones PTL cuidadosamente diseñadas pueden proporcionar una funcionalidad aceptable mientras se reduce el conteo de transistores. Incluso si la reducción es pequeña en relación con un subcircuito individual, como una compuerta XOR o un flip-flop, el efecto general puede ser significativo en un dispositivo que incluye miles de subcircuitos idénticos. En un artículo de seguimiento, presentaré versiones PTL ventajosas de circuitos digitales ampliamente utilizados.

By Maria Montero

Me apasiona la fotografía y la tecnología que nos permite hacer todo lo que siempre soñamos. Soñadora y luchadora. Actualmente residiendo en Madrid.