שער תמסורת

שער תמסורת (באנגלית: transmission gate; בראשי תיבות: TG) הוא שער אנלוגי שפעולתו דומה לפעולת ממסר, כלומר הוא מאפשר הולכת אות דו-כיוונית או חסימתו בהתאם לאות בקרה. הוא מבוסס על טכנולוגיית CMOS, שבה PMOS מעביר ביעילות 1 לוגי (פוטנציאל גבוה) אך מעביר גרוע בהעברת 0 לוגי (פוטנציאל נמוך), ואילו NMOS מעביר ביעילות 0 לוגי אך מעביר גרוע 1 לוגי. שני הטרנזיסטורים פועלים יחד כדי לאפשר הולכת אות אפקטיבית על פני טווח רחב של מתחים.

מבנה

סכמה של שער תמסורת. אות הבקרה (ST) חייב לתמוך ברמות לוגיות שונות המבוססות על מתח האספקה ומתח המיתוג.

באופן עקרוני, שער תמסורת מורכב משני טרנזיסטורי אפקט שדה (FET), שבהם – בניגוד לטרנזיסטורי אפקט שדה בדידים קלאסיים – המצע (bulk) אינו מחובר באופן פנימי למקור. שני הטרנזיסטורים, מסוג n ומסוג p, מחוברים במקביל – השפכים (drains) שלהם מחוברים יחד וכך גם המקורות (sources) שלהם. השערים (gates) שלהם מחוברים זה לזה על ידי שער NOT (מהפך), כדי ליצור את הדק הבקרה.

שלא כמו עם טרנזיסטורי FET בדידים, הדקי המצע אינם מחובר להדקי המקור. במקום זאת, הדקי המצע מחוברים לפוטנציאל האספקה המתאים על מנת להבטיח שדיודת המצע הטפילית (בין מקור או שפך למצע) תמיד נמצאת בממתח הפוך ולכן אינה משפיעה על זרימת האות. הדק המצע של MOSFET בעל ערוץ p מחובר אפוא לפוטנציאל האספקה החיובי, והדק המצע של ה־MOSFET בעל ערוץ n מחובר לפוטנציאל האספקה השלילי.

אופן פעולה

אופיין התנגדות של שער תמסורת. VTHN ו-VTHP מציינים את הנקודות שבהן המתח המועבר מגיע למתח הסף של הטרנזיסטור המתאים

כאשר קלט הבקרה הוא 0 לוגי (פוטנציאל אספקה שלילי), השער של ה-MOSFET מסוג n נמצא גם הוא בפוטנציאל האספקה השלילי, בעוד שהשער של ה-MOSFET מסוג p הופך לפוטנציאל האספקה החיובי על ידי מהפך. ללא תלות במתח המופעל על אחד מההדקים של שער התמסורת (A או B), מתח השער-מקור של ה-MOSFET מסוג n נשאר שלילי, ושל ה-MOSFET מסוג p נשאר חיובי. כתוצאה מכך, אף אחד מהטרנזיסטורים אינו מוליך ושער התמסורת כבוי.

כאשר קלט הבקרה הוא 1 לוגי, השער של ה-MOSFET מסוג n נמצא בפוטנציאל האספקה החיובי, ואילו השער של ה-MOSFET מסוג p נמצא בפוטנציאל האספקה השלילי. מאחר שהדקי המצע אינם מחוברים להדק המקור, הדקי השפך והמקור מתפקדים באופן סימטרי, כלומר הטרנזיסטורים מתחילים להוליך כאשר קיים הפרש מתחים בין השער לבין אחד מההדקים.

כאשר אחד מההדקים של שער התמסורת מתקרב למתח האספקה השלילי, מתח שער-מקור (או שער-שפך) חיובי גורם ל-MOSFET מסוג n להתחיל להוליך. ככל שמתח ההדק עולה לכיוון מתח האספקה החיובי, ה-MOSFET מסוג n מתחיל להיכבות בהדרגה, בעוד שב-MOSFET מסוג p נוצר מתח שער-מקור שלילי, מה שגורם לו להתחיל להוליך. התנהגות משלימה זו מאפשרת לשער התמסורת להעביר אותות על פני כל טווח המתח.

ההתנגדות של שער התמסורת משתנה בהתאם למתח המועבר, ונקבעת על ידי סופרפוזיציה של אופייני ההתנגדות של שני הטרנזיסטורים.

יישומים

מתג אלקטרוני

שערי תמסורת משמשים לרוב כמתגים אלקטרוניים וכמרבבים אנלוגיים. כאשר יש צורך לחבר אות למספר יציאות (למשל, במפסקים מחליפים (changeover) או במרבבים), ניתן להשתמש במספר שערי תמסורת כדי לאפשר או לחסום הולכה. דוגמה נפוצה היא הרכיב 4066, מתג דו-כיווני בעל ארבעה ערוצים מסדרת 4000 וסדרת 74, המסוגל לטפל באותות אנלוגיים ודיגיטליים.

מרבב אנלוגי

במערכות מעורבות (Mixed-Signal), מרבב (multiplexer) אנלוגי משמש לניתוב מספר ערוצי קלט אנלוגיים לממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC), ובכך משפר את עיבוד האותות.

מעגלים לוגיים

ניתן להשתמש בשערי תמסורת במקום ברשתות משיכה-למעלה ומשיכה-למטה (Pull-up & Pull-down) בטכנולוגיית CMOS מסורתית, מה שמאפשר, תיכונים קומפקטיים יותר – יתרון משמעותי ביישומי סיליקון.

מתחים שליליים

בעת מיתוג מתחים משתנים (למשל, אותות שמע), מתח האספקה השלילי חייב להיות נמוך מהפוטנציאל הנמוך ביותר של האות כדי למנוע הולכה של דיודת המצע. אמנם שערי תמסורת סטנדרטיים יכולים למתג רמות מתחים לוגיים, אך קיימות גרסאות מיוחדות הכוללות ממירי מתח משולבים. לדוגמה, הרכיב 4053, הנפוץ במערכות שמע לבחירת כניסות אנלוגיות למגבר, כולל הדק ייעודי לאדמה (רגל 8) וחיבור מצע שלילי (רגל 7) התומך בהסטת רמות מתח.

לקריאה נוספת

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage, Springer, Berlin/Heidelberg/New York 2002,מסת"ב 3-540-42849-6.
• Erwin Böhmer: Elemente der angewandten Elektronik. 15. Auflage, Vieweg & Sohn Verlag

• קלאוס פריקה: Digitaltechnik. 6. Auflage, Vieweg & Sohn Verlag

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

שער תמסורת40673675Q1136752