[Digital 회로] Transmission gate 설계와 length/width 선정 tip

 

오늘은 Transmission gate 에 대해 다뤄보겠습니다. Transmission gate 는 pass gate 라고도 불리며

Digital circuit 설계에 가장 basic components 중 하나입니다.

 

 

0. MOSFET as a switch

 

일반적으로 MOSFET 은 digital 회로에서 switch 로 생각합니다.

아래에서 NMOS 하나를 보도록 하죠

NMOS 의 drain 을 IN, source 를 OUT 이라고 하고, Gate 에 가해지는 전압을 Vctrl 이라고 해봅시다.

Vctrl 전압을 VDD 로 주면, OUT = VIN으로 VIN 전압을 따라가게 됩니다.

반면에 Vctrl 전압을 VSS 로 주면, OUT node 는 floating 이 됩니다. (원래 전압을 유지하게 되죠.)

이렇게 Gate 에 어떤 전압을 주었는지에 따라 OUT 전압이 IN 전압을 따라가는지가 결정되므로

MOSFET 은 switch 역할을 합니다.

 

 

1. 단일 mosfet 을 switch 로 사용할 때의 단점

하지만 여기서 NMOS 혹은 PMOS 중 단일 mosfet 을 switch 로 사용할 때 문제가 생깁니다.

바로 NMOS 는 전류를 빼내는데 유리하고 PMOS 는 전류를 채우는 데 유리한 특성 때문이죠.

아래를 보시죠.

위와 같이 mosfet 에서는 동작하기 위한 threshold voltage 즉, Vth 가 필요합니다.

이 때 PMOS 와 NMOS 는 Vth 의 부호가 다르게 되어 각각 특정 전압을 채우는 데 어려움이 있죠.

이러한 단점을 해결하기 위한 것이 바로 Transmission gate 입니다.

 

 

2. Transmission Gate 개념

위와 같은 단점을 보완하기 위해서 나온 것이 바로 transmission gate 입니다.

Transmission gate 는 NMOS 와 PMOS 를 붙여서 만든 switch 이죠.

위와 같이 만들게 되면, OUT node 를 VSS 로 보낼 때는 NMOS 가 역할을, 그리고 VDD 로 보낼 때는 PMOS 가 역할을 하여 완벽하게 OUT = IN 인 switch 를 만들 수 있습니다.

 

 

3. Transmission Gate Length / Width 설계 tip

이러한 Transmission gate 는 switch 가 on 되어있을 때 신호를 통과시키는 역할을 합니다.

TG 는 ideal 한 소자가 아니기 때문에 on resistance 가 존재하게 되죠.

이러한 Ron 저항 때문에 TG 는 필연적으로 RC filter 로 동작하게 됩니다.

즉 low pass filter 역할을 하게 되는거죠.

 

아무리 ideal 한 step 신호가 input 으로 들어오더라도 out 단에는 on resistance 와 output load cap 때문에 slope 이 생기게 됩니다.

이러한 이유 때문에 sizing 에도 신경을 써야하는데요.

 

일반적으로 NMOS 와 PMOS 의 strength 가 2:1 혹은 3:1 정도 차이나므로

어떤 공정인지에 따라 strength 차이만큼 Width 차이를 주어 PMOS 가 더 크도록 설계하면 됩니다. (Width 비)

Length 의 경우 Digital circuit 설계의 경우 length 를 크게 할 필요가 없기 때문에 최소로 설계하면 되죠.

 

 

Width 비는 1:2 혹은 1:3 으로 설계하면 되지만, 전체적인 Width 의 경우는 OUT node 가 얼마나 high-speed 로 동작해야하는지에 따라 결정됩니다.

만약 OUT node 가 고속으로 동작하는 것이 아닌 DC node 일 경우 width 가 클 필요가 없겠죠.

반면에 OUT node 가 꽤나 빠르게 동작해야하는 node 라면, 직접 simulation 을 통해 width 를 키워가며 slope 이 괜찮은지 체크해야합니다.