Podręcznik

Bramki transmisyjne działają inaczej niż bramki dotąd omawiane. Są one odpowiednikami sterowanego wyłącznika. W zależności od stanu logicznego sygnału sterującego bramka transmisyjna przepuszcza sygnał z wejścia na wyjście lub nie. Najprostszą bramką transmisyjną jest pojedynczy tranzystor nMOS – rysunek 2-18.

Rysunek 2 18. Tranzystor nMOS jako najprostsza bramka transmisyjna: (a) zasada działania, (b) zjawisko degradacji jedynki logicznej

Bramka transmisyjna nie wykazuje kierunkowości – jeśli jest otwarta, może transmitować sygnał w obu kierunkach. Może to być wygodne w niektórych zastosowaniach, ale najczęściej jest to właściwość kłopotliwa.

Bramka transmisyjna w postaci pojedynczego tranzystora nMOS ma ponadto istotną wadę: wprowadza degradację poziomu jedynki logicznej (patrz rysunek 2-18b). Degradacja polega na zmniejszeniu napięcia jedynki o wartość równą w przybliżeniu napięciu progowemu tranzystora $V_T$, a bierze się stąd, że aby tranzystor przewodził, musi istnieć między bramką i źródłem różnica napięć równa co najmniej $V_T$. Dlatego nie można sterować bramki transmisyjnej sygnałem już zdegradowanym, np. pochodzącym z wyjścia innej bramki transmisyjnej. Można natomiast łączyć bramki transmisyjne szeregowo - patrz rysunek 2-19.
 

Rysunek 2 19. Dozwolone (a) i niedozwolone (b) łączenie bramek transmisyjnych degradujących jedynkę logiczną

Degradacji jedynki można uniknąć stosując pełną bramkę transmisyjną CMOS złożoną z pary tranzystorów – nMOS i pMOS – połączonych równolegle i sterowanych przeciwnymi stanami logicznymi. Tranzystor pMOS zapewnia transmisję jedynki logicznej bez degradacji, a tranzystor nMOS podobnie zapewnia transmisję zera. Jednak cała bramka łącznie z niezbędnym do jej sterowania inwerterem ma aż 4 tranzystory (rysunek 2-20).

Rysunek 2 20. Pełna czterotranzystorowa bramka transmisyjna CMOS

Żadna bramka transmisyjna nie ma właściwości regeneracji poziomów logicznych. Niekiedy na wyjściu bramki transmisyjnej, zwłaszcza bramki w postaci pojedynczego tranzystora nMOS, stosowany jest inwerter pełniący rolę bufora regenerującego poziomy logiczne.

Bramki transmisyjne pozwalają prosto realizować niektóre funkcje kombinacyjne, np. układy multiplekserów i demultiplekserów. Przykład pokazuje rysunek 2-21.
 

Rysunek 2 21. Multiplekser na bramkach transmisyjnych

Układ z rysunku 2-21 pokazuje prostotę realizacji multipleksera przy użyciu bramek transmisyjnych, ale zarazem pozwala też zilustrować pewne niebezpieczeństwa takiej realizacji. Układ działa prawidłowo pod warunkiem, że nie dochodzi do sytuacji równoczesnego włączenia obu bramek transmisyjnych. Gdyby obie bramki były włączone równocześnie, a stany wejść A i B byłyby różne, na wyjściu powstałby niedopuszczalny konflikt. W dodatku ze względu na dwukierunkową transmisję sygnału przez bramkę transmisyjną sygnał z wejścia A oddziaływałby bezpośrednio na stan wejścia B, i odwrotnie. Skutki tej niedozwolonej sytuacji nie są możliwe do przewidzenia bez znajomości szczegółów budowy bramek dostarczających sygnały na wejścia A i B. W stanie ustalonym do równoczesnego włączenia obu bramek oczywiście dojść nie może, natomiast może się to zdarzyć podczas zmiany stanu logicznego wejścia sterującego. Wyobraźmy sobie, że początkowy stan wejścia sterującego S to "0". Włączona jest wówczas górna bramka transmisyjna, zaś dolna - wyłączona. Gdy stan wejścia S zmienia się na "1", dolna bramka zostaje włączona, a górna wyłączona, ale górna bramka wyłączona jest z opóźnieniem wynikającym z niezerowego czasu propagacji sygnału w inwerterze. W rezultacie może pojawić się taki odcinek czasu, w którym obie bramki transmisyjne przewodzą równocześnie. Nie musi, ale może spowodować to błędne działanie układu z multiplekserem - zależy to od tego, jak zbudowany jest cały układ.

Jak widać z tego przykładu, logika kombinacyjna budowana przy użyciu bramek transmisyjnych wymaga ostrożności, starannego przemyślenia działania układu zarówno w stanach ustalonych, jak i w stanach przejściowych oraz symulacji elektrycznej dla wychwycenia ewentualnych sytuacji błędnych i niedopuszczalnych. Niemniej bramki transmisyjne są dość powszechnie używane, są one niezbędne w niektórych rodzajach bramek dynamicznych, rejestrów itp. Będzie o tych układach mowa dalej.

Wymiarowanie tranzystorów w bramkach transmisyjnych jest bardzo proste. Wymiary dobierane są tak, by uzyskać jak najmniejsze opóźnienia sygnału wynikające z tego, że tranzystory bramki transmisyjnej wnoszą w tor sygnału pewną nieliniową rezystancję i pewną pojemność. Na ogół używa się tranzystorów o minimalnych dopuszczalnych wymiarach. Poszerzanie kanałów ponad minimalną szerokość nie jest celowe, wraz z szerokością kanału rosną bowiem proporcjonalnie pojemności złącz źródła i drenu oraz pojemność $C_{GD}$, zatem nie uzyskuje się skrócenia czasu propagacji sygnału. Jedynym wyjątkiem jest sytuacja, gdy wyjście bramki transmisyjnej jest obciążone dużą pojemnością, znacznie przekraczającą pojemności wewnętrzne tranzystorów bramki. Opóźnienie wnoszone przez bramkę można z grubsza utożsamić z jej stałą czasową $R_tC_l$, gdzie $R_t$  jest rezystancją wnoszoną przez bramkę, a $C_l$  – pojemnością na wyjściu bramki. Rezystancję wnoszoną przez pełną dwutranzystorową bramkę CMOS można w pierwszym przybliżeniu oszacować z bardzo prostej zależności
 

Zależność ta może służyć tylko do przybliżonych szacunków stałej czasowej, bowiem rezystancja wnoszona przez bramkę jest w rzeczywistości nieliniowa.