เกตส่งสัญญาณหรือที่เรียกอีกอย่างว่าสวิตช์อนาล็อก เป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ออกแบบมาเพื่อควบคุมการส่งระดับสัญญาณจากอินพุตไปยังเอาต์พุต สวิตช์โซลิดสเตตนี้ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ PMOS หนึ่งตัวและทรานซิสเตอร์ NMOS หนึ่งตัวเพื่อรองรับสถานะตรรกะทั้งสอง (สูงและต่ำ) โดยการสร้างไบอัสให้กับเกตควบคุมแบบเสริม ทำให้สามารถเปิดหรือปิดทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัวได้ในเวลาเดียวกัน โดยทั่วไปพอร์ตการส่งข้อมูลจะเป็นแบบสองทิศทาง ซึ่งหมายความว่าสัญญาณสามารถไหลจากอินพุตไปยังเอาต์พุตและในทางกลับกันได้

สัญลักษณ์และแผนผังพอร์ตส่งข้อมูล

ในการสร้างเกตส่งสัญญาณ จะต้องจัดเรียงทรานซิสเตอร์ MOS สองตัว (PMOS หนึ่งตัวและ NMOS หนึ่งตัว) ในแบบคู่ขนาน มีอินเวอร์เตอร์วางอยู่ระหว่างขั้วเกตของทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS เพื่อให้มีแรงดันไฟฟ้าควบคุมเพิ่มเติม เนื่องจาก NMOS จะเปิดเมื่อเกตสูงในขณะที่ PMOS จะเปิดเมื่อเกตต่ำ เมื่อสัญญาณควบคุมอยู่ในระดับต่ำ (ศูนย์) ทั้งทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS จะอยู่ในสถานะตัด ส่งผลให้สวิตช์เปิด ในทางกลับกัน เมื่อ CONTROL สูง (หนึ่ง) ทรานซิสเตอร์ทั้งสองมีแนวโน้มที่จะทำหน้าที่นำไฟฟ้า ส่งผลให้สวิตช์ปิดลงอย่างมีประสิทธิภาพ

ดังนั้นเกตส่งสัญญาณจะทำหน้าที่เป็นสวิตช์ “ปิด” เมื่อ CONTROL = 1 และทำหน้าที่เป็นสวิตช์ “เปิด” เมื่อ CONTROL = 0 โดยทำหน้าที่เป็นสวิตช์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า สัญลักษณ์เกตของ PMOS FET จะระบุด้วยฟองอากาศ

ประตูส่งกำลังทำงานอย่างไร

ในการทำความเข้าใจฟังก์ชันการทำงานของเกตส่งสัญญาณ จำเป็นต้องเข้าใจการทำงานของสวิตช์/เกตส่งสัญญาณแบบ NMOS และ PMOS ที่แยกจากกัน เราจะพยายามทำความเข้าใจพฤติกรรมเมื่อทรานซิสเตอร์เปิดอยู่ เมื่อทรานซิสเตอร์ปิดเอาต์พุตจะกลายเป็นโหนด High-Z High-Z หมายความว่าความต้านทานอินพุตของโหนดสูงมาก (วงจรเปิด)

สวิตช์หรือเกตที่ใช้ NMOS เท่านั้น

ในสวิตช์ NMOS เกตจะเชื่อมต่อกับ VDD และตัวเครื่องจะเชื่อมต่อกับ VSS เพื่อเปิดทรานซิสเตอร์ หากใช้พัลส์ที่เพิ่มขึ้นกับอินพุต เราจะเห็นได้ว่าเอาต์พุตกำลังเพิ่มขึ้นช้าๆ เป็น VDD – Vtn Vtn คือค่าขีดจำกัดของทรานซิสเตอร์ NMOS ตามหลักการแล้วควรเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและเพิ่มขึ้นเป็น VDD รูปคลื่นเพิ่มขึ้นช้าๆ เนื่องจาก VGS ของ NMOS ลดลง ส่งผลให้ความต้านทานของช่องสัญญาณ (Rds,on) เพิ่มขึ้น วิธีนี้จะลดกระแสในการชาร์จตัวเก็บประจุปรสิต (Cp) ที่เอาต์พุต กระแสจะลดลงเหลือศูนย์และ Rds,on จะกลายเป็นอนันต์เมื่อเอาต์พุตถึง VDD-Vtn วิธีนี้จะช่วยป้องกันไม่ให้เอาต์พุตเกิน VDD-Vtn

หากใช้พัลส์ลดลงกับอินพุต เราจะเห็นได้ว่าเอาต์พุตกำลังลดลงอย่างรวดเร็วเป็น VSS รูปคลื่นลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจาก VGS ของ NMOS เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความต้านทานของช่องสัญญาณ (Rds,on) ลดลงอย่างรวดเร็ว นี่จะเพิ่มกระแสเพื่อคายประจุตัวเก็บประจุปรสิต (Cp) ที่เอาต์พุต กระแสคายประจุของตัวเก็บประจุปรสิตลดลงถึงระดับแรงดันไฟฟ้าอินพุต (VSS)

ดังนั้นเราจะสังเกตได้ว่า NMOS ทำงานได้ดีมากเมื่อมีรูปคลื่นสลายตัวที่อินพุต

สวิตช์หรือเกตส่งสัญญาณ PMOS เท่านั้น

ในสวิตช์ PMOS ขั้วเกตจะเชื่อมต่อกับ VSS และตัวเครื่องจะเชื่อมต่อกับ VDD เพื่อเปิดทรานซิสเตอร์ หากใช้พัลส์ลดลงกับอินพุต เราจะเห็นได้ว่าเอาต์พุตกำลังลดลงช้าๆ สู่ Vtp Vtp คือค่าขีดจำกัดของทรานซิสเตอร์ PMOS ตามหลักการแล้วควรลดลงอย่างรวดเร็วและขึ้นไปถึง VSS รูปคลื่นลดลงช้าๆ เนื่องจาก VSG ของ NMOS ลดลง ส่งผลให้ความต้านทานของช่องสัญญาณ (Rds,on) เพิ่มขึ้น วิธีนี้จะลดกระแสในการชาร์จตัวเก็บประจุปรสิต (Cp) ที่เอาต์พุต กระแสจะลดลงเหลือศูนย์และ Rds,on จะกลายเป็นอนันต์เมื่อเอาต์พุตถึง Vtp วิธีนี้จะช่วยไม่ให้เอาต์พุตลดลงต่ำกว่า Vtp

หากใช้พัลส์ที่เพิ่มขึ้นกับอินพุต เราจะเห็นได้ว่าเอาต์พุตกำลังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเป็น VDD รูปคลื่นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจาก VSG ของ NMOS เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความต้านทานของช่องสัญญาณ (Rds,on) ลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะเพิ่มกระแสเพื่อชาร์จตัวเก็บประจุปรสิต (Cp) ที่เอาต์พุต กระแสไฟฟ้าจะชาร์จตัวเก็บประจุปรสิตให้ถึงระดับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (VDD)

ดังนั้นเราจะสังเกตได้ว่า PMOS ทำงานได้ดีมากเมื่อมีรูปคลื่นเพิ่มขึ้นที่อินพุต

NMOS และ PMOS ในแบบคู่ขนาน

‍

เมื่อมีอินพุตเพิ่มขึ้นที่อินพุตของเกตถ่ายโอน เอาต์พุตของ NMOS จะหยุดเคลื่อนที่เกิน VDD-Vtn อย่างไรก็ตาม PMOS จัดหากระแสที่จำเป็นสำหรับตัวเก็บประจุปรสิตเพื่อชาร์จไปยัง VDD

‍

เมื่อมีการลดอินพุตที่เกต เอาต์พุต PMOS จะหยุดเคลื่อนที่ต่ำกว่า Vtp แต่ NMOS ยังคงจ่ายกระแสที่จำเป็นสำหรับตัวเก็บประจุปรสิตเพื่อคายประจุไปยัง VSS

ความต้านทานเทียบเท่าโดยรวม (RTG=Rds,pmos||Rds,nmos) ของเกตถ่ายโอน (TG) ยังคงเสถียรอย่างต่อเนื่อง เกือบจะไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าขาออก ในทางตรงกันข้าม ความต้านทานเทียบเท่าของทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS แต่ละตัวแสดงให้เห็นถึงการพึ่งพา Vin หรือ Vout อย่างมีนัยสำคัญ คุณสมบัติของเกตถ่ายโอน CMOS นี้เป็นประโยชน์และเป็นที่ต้องการโดยเนื้อแท้

แบบจำลองเกตส่งกำลังสำหรับการวิเคราะห์วงจร

เกตส่งสัญญาณสามารถจำลองเป็นสวิตช์ปิดที่ให้ความต้านทาน RTG ขั้นต่ำ เมื่อประตูส่งกำลังเปิด สวิตช์ก็ถือว่าเปิดได้ โมเดลนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างแบบจำลองวงจรตัวอย่างและโฮลด์ใน ADC RTG เป็นตัวต้านทานแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งเป็นแหล่งหลักของความผิดเพี้ยนใน ADC เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงมีการใช้เกตส่งสัญญาณแบบ Bootstrapped เพื่อรักษา RTG ให้คงที่ยิ่งขึ้น

ตารางความจริงของเกตส่งและบัฟเฟอร์ไตรสเตต

เกตส่งสัญญาณจะเปิดการเชื่อมต่อระหว่าง A และ B เมื่อการควบคุมเป็น 0 นั่นคือเหตุผลที่เอาต์พุตจะเข้าสู่โหมด High-Z ซึ่งความต้านทานของโหนด B จะสูงมาก เมื่อการควบคุมอยู่ที่ระดับสูง สัญญาณที่ A จะได้รับอนุญาตให้เคลื่อนไปที่ B โปรดทราบว่าตารางความจริงของเกตการส่งประกอบด้วย 3 สถานะ ได้แก่ 0, 1 และ High-Z นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมเกตส่งสัญญาณจึงเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าบัฟเฟอร์ไตรสเตต

รหัส Verilog สำหรับเกตการส่งข้อมูล

module gate_modeling(
  input A, ctrl,
  output B_bufif1,
  output B_bufif0
  );

  //transmission-gate with control signal
  bufif1(B_bufif1, A, ctrl);
  //transmission-gate with inverted control signal
  bufif0(B_bufif0, A, ctrl);

endmodule

มัลติเพล็กเซอร์ส่งสัญญาณ (MUX)

เมื่อสัญญาณควบคุม S0 ต่ำ เกตส่งด้านบนจะเปิดใช้งาน ทำให้ I0 สามารถผ่านไปได้ ในเวลาเดียวกัน เกตส่งกำลังด้านล่างจะหยุดทำงาน ทำให้ I1 ไม่สามารถผ่านเข้าไปได้ ดังนั้นเอาต์พุตจะเท่ากับ I0

ในทำนองเดียวกัน เมื่อสัญญาณควบคุม S0 สูง เกตส่งสัญญาณด้านบนจะถูกปิดการใช้งาน โดยตัดเส้นทางของ I0 ที่ผ่านเกต ในเวลาเดียวกัน เกตส่งสัญญาณด้านล่างจะทำงานเพื่อให้ I1 สามารถผ่านเข้าไปได้ ดังนั้นเอาต์พุตจะเท่ากับ I1

พอร์ตการส่งสัญญาณนี้ (ในรูปที่ 10) ยังสามารถส่งสัญญาณแอนะล็อกได้อีกด้วย

เพื่อแยกอินพุตจากลอจิกแบบต่อเนื่องและเพิ่มพัดลมเอาต์ของเกตส่งสัญญาณ สามารถเพิ่มอินเวอร์เตอร์ได้ดังแสดงในรูปด้านบน เนื่องจากมีการเพิ่มอินเวอร์เตอร์ พอร์ตส่งสัญญาณนี้จึงไม่รองรับสัญญาณอนาล็อกอีกต่อไป ตอนนี้สามารถรองรับได้เพียงสัญญาณดิจิตอลเท่านั้น

แอปพลิเคชั่นเกตเวย์

1. เกตส่งสัญญาณทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบพื้นฐานในการสร้างวงจรตรรกะ ซึ่งรวมถึงส่วนประกอบเช่น D Latch หรือ D Flip-Flop
2. เกตส่งสัญญาณใช้สำหรับวงจรตัวอย่างและยึดใน ADC สวิตช์จะปิดเมื่อจำเป็นต้องชาร์จตัวเก็บประจุตัวอย่างจนถึงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า สวิตช์จะเปิดเมื่อตัวเก็บประจุจำเป็นต้องเก็บประจุขณะที่อินพุตเปลี่ยนแปลง
3. นอกจากนี้ เกตถ่ายโอนยังสามารถแยกส่วนประกอบออกจากสัญญาณที่ทำงานอยู่ในระหว่างกระบวนการต่างๆ เช่น การใส่หรือการถอดแบบขณะร้อน
4. ในแอปพลิเคชั่นด้านความปลอดภัย สามารถใช้พอร์ตเหล่านี้เพื่อป้องกันการส่งสัญญาณหรือข้อมูลที่สำคัญได้อย่างเลือกสรร เว้นแต่จะมีการให้สิทธิ์ในการควบคุมฮาร์ดแวร์ที่เหมาะสม ซึ่งจะช่วยเพิ่มระดับความปลอดภัยและการควบคุมเพิ่มเติมให้กับระบบ