MOS R-S管觸發(fā)器工作原理及設計考慮詳解分析

MOS觸發(fā)器簡介
觸發(fā)器和其它邏輯部件，在第二章中，已介紹了“與”門、“或”門、“非”門、“與非”、“或非”及“與或非”等邏輯門。這些邏輯門的輸出由輸入狀態(tài)決定，如果輸入狀態(tài)改變，輸出也立刻作相應的改變。利用這些逐輯門可以實現邏輯計算和邏輯控制。但這些門電路不具備“記憶”信號的作用，輸入信號一旦消失，輸出信號就不復存在。在數字系統中，還需要具有計數、移位以及存貯指令和代碼的電路，即要求這些電路具有“記憶”信號的功能。觸發(fā)器就是具有“記憶”作用的電路，它具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，可以把二進制代碼的“1”和“0”存貯起來。因此，可以利用觸發(fā)器來構成計數器、移位寄存器和存貯器等各種復雜的邏輯電路。R-S管觸發(fā)器,本章主要介紹各種MOS型觸發(fā)器和其它邏輯部件，諸如譯碼器、加法器、移位寄存器等的工作原理及其邏輯功能。
MOS R-S觸發(fā)器
觸發(fā)器種類很多，如按功能可以分為R-S觸發(fā)器、J-K盡觸發(fā)器、D觸發(fā)器等類型，按工作原理可以分為靜態(tài)觸發(fā)器、準靜態(tài)觸發(fā)器和動態(tài)觸發(fā)器，但它們的邏輯結構是基本相同的。下面將分別介紹各種觸發(fā)器的電路結構及其邏輯功能。
一、R-S觸發(fā)器
1、兩級倒和器組成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
圖3-1是由兩級PMOS倒相器交叉耦合的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。
在PMOS電路中，有正邏輯規(guī)定，也有負邏輯規(guī)定。這里我們采用負邏輯規(guī)定來討論PMOS電路的工作原理。
在這個PMOS電路里，組成第一級倒相器，組成第二級倒相器。第一級倒相器的輸出端接第二級倒相器的輸入端，第二級倒相器的輸出端接第一級倒相器的輸入端，兩個輸出端分別用Q和Q表示。
這種觸發(fā)器具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。一個穩(wěn)定狀態(tài)是導通而截止，另一個穩(wěn)定狀態(tài)是導通而截止。如果沒有外界的影響，電路將長期處于某一個穩(wěn)定狀態(tài)，所以通常稱它為雙穩(wěn)狀觸發(fā)器。
為了說明觸發(fā)器的這種特點，我們先假定導通，此時輸出端Q為“0”電平。由于輸出端Q與另一個倒相器的輸入端相連，因此可以使截止，使輸出端為“1”電平，輸出端與的柵極又是連在一起的，這樣就保證了導通。如果沒有外來信號，這種狀態(tài)就會長期保持下去。這是觸發(fā)器的第一個穩(wěn)定狀態(tài)。
“當好導通時，輸出端Q為“0”電平，同樣道理會使截止，使輸出端Q為“1”電平，這個“1”電平又加在的柵極上，保證了的導通。這是觸發(fā)器的另一個穩(wěn)定狀態(tài)。
通常把稱為“0”狀態(tài)，而就稱為“1”狀態(tài)。由此可見，觸發(fā)器能夠把電信號“1”或“0”長期保存下來，起到“記憶”電信號的作用。
如果要使觸發(fā)器從一個穩(wěn)定狀態(tài)變到另一個穩(wěn)定狀態(tài)，就需要給觸發(fā)器施加一個信號。假設觸發(fā)器原來處于“0”狀態(tài)，即，如果把端接地，就會使截止，使Q由“0”變到“1”，從而導致導通，使Q由“1”變到“0”，觸發(fā)器就從“0”狀態(tài)變到“1”狀態(tài)。這種狀態(tài)轉變，通常叫做觸發(fā)器的“翻轉”。
上述觸發(fā)器，Q和Q既是輸入端又是輸出端，因此在實際電路中是不能應用的。能夠應用的觸發(fā)器，其輸入端和輸出端必須是分開的。下面介紹由上述最簡單觸發(fā)器演變出來的各種觸發(fā)器電路。
2、基本的R-S觸發(fā)器

R-S觸發(fā)器又叫做置位-復位觸發(fā)器。其電路如圖3-2所示。這是在上述雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的基礎上，加上兩管，使分別與相并聯。其實，它是由兩個交又相連的“或非”門電路構成的。Q和同樣表示兩個輸出端，R和S是兩個輸入端。
（1）工作原理
假設觸發(fā)器開始處于“0”狀態(tài)（），即導通截止。為了使觸發(fā)器由“0”狀態(tài)變到“1”狀態(tài)，只要使輸入端R保持“0”電平，而在S端加一個“1”“電平，因為電平時，導通，使輸出“0”電平，而使截止，截止后使Q變成“1”電平，反過來使導通。這樣，即使S輸入端上的信號“1”沒有了，觸發(fā)器還會保持裁止、導通的“1”狀態(tài)。因此輸入端S叫做置“1”輸入端，又做置位輸入端。
要使觸發(fā)器由“1”狀態(tài)恢復到“0”狀態(tài)，只要使S端保持“0”電平，而在B端上加一個“1”電平就行了。因為時，立刻導通，使Q由“1”變到“0”，這個“0”又輸入到管的柵極使截止，由于原來是截止的，所以由“0”變到“1”。觸發(fā)器由“1”狀態(tài)恢復到“0”狀態(tài)。因此R端叫做置“0”輸出端，又稱復位輸入端。
在R-S觸發(fā)器里，如果R和S兩個輸入端都保持“0”電平，則都截止，觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)不變。如果R和S兩個輸入端都加上“1”電平，則都導通，兩個輸出端Q和都變成了“0”電平，使都截止，破壞了觸發(fā)器的正常狀態(tài)。當R和S兩個輸入端都由1”電平恢復到“0”電平后，觸發(fā)器的狀態(tài)就不能確定，不能肯定是處于“1”狀態(tài)，還是處于“0”狀態(tài)。因此，在R-S觸發(fā)器的工作過程里，B和S兩個輸入端上不能同時加“1”電平。下面是R-觸發(fā)器的邏輯圖及真值表。
為了更好地描述R-S觸發(fā)器的工作過程，我們在圖3-4中畫出了它的輸入和輸出脈沖被形。從圖中可以看出，在S端加“1”電平，就可以使觸發(fā)器由“0”狀態(tài)變?yōu)椤?”狀態(tài)，但如果觸發(fā)器已經處于“1”狀態(tài)，在端上加負脈沖就不會使觸發(fā)器再發(fā)生變化。若在R端加“1”電平，可以使觸發(fā)器由“1”狀態(tài)變?yōu)椤?”狀態(tài)，如果觸發(fā)器已經處于“0”狀態(tài)，在R輸入端加“1”電平，也不會使觸發(fā)器再發(fā)生變化。從圖3-4看到，Q和的變化是同時發(fā)生的，這是理想的情況。在實際上，由于延遲效應，的變化比R、S的變化要滯后一些。
（2）設計考慮

要使電路具有上述的兩個穩(wěn)定狀態(tài)，必須正確地選擇電路中各個器件的參數和工作條件。否則，電路就不能保證有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)，不能實現觸發(fā)器的邏輯功能。下面介紹電路正常工作所需要的條件及設計思想。
①最高工作頻率
為了使R-S觸發(fā)器穩(wěn)定地工作，觸發(fā)脈沖的寬度必須大于，因此觸發(fā)器的最高頻率為：
其中為一級門的平均傳輸延遲時間。（3-1）式給出了最高工作頻率與組成觸發(fā)器各個邏輯門延遲時間的關系。因此，在設計時，就可以根據工作頻率的要求，確定出各邏輯門的延遲時間，從而確定各邏輯門的器件參數。
②輸出電平
要使R-S觸發(fā)器能保持正常工作，輸出端Q（或）的“0”電平的絕對值必須小于門電路的關門電平，而“1”電平的絕對值必須大于門電路的開門電平，使門電路可靠地截止和充分導通，從而保證觸發(fā)器處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。根據這個要求，可以確定門電路負載管和輸入管的跨導比。
③靜態(tài)功耗
R-S觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)電路，組成觸發(fā)器的兩個門，在工作時總有一個門導通，另一個門截止。因此計算觸發(fā)器的靜態(tài)功耗只考慮一個門即可。與倒相器的設計一樣，功耗和速度是矛盾的，它們與負載管的幾何尺寸有關。
（3）基本R-S觸發(fā)器的特點

從上面分析知道，它是由兩個“或非”門連結而成，電路對稱，結構簡單，是其它觸發(fā)器的基礎。它的特點是：
①具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有“記憶”信息的功能。
②通過R、S輸入端分別加負脈沖，可以實現置“0”或置“1”的功能。但是，R-S觸發(fā)器狀態(tài)的存入無法從時間上得到控制，而在各單元之間必須協同動作的中大規(guī)模集成電路中，難以直接應用。況且R-S觸發(fā)器只有置“1”置“0”的功能，R、S端不能同時為“1”脈沖。所以必須對基本的R-S觸發(fā)器進行不斷的改進，使其具有完善的功能。
3、R-S-T燃發(fā)器
在計算機使用觸發(fā)器時，常常要用脈沖來控制觸發(fā)器翻轉的時間，這種控制觸發(fā)器翻轉時間的脈沖叫做時鐘脈沖，常用符號來表示。只有當時鐘脈沖輸入時，觸發(fā)器才會根據輸入端上的電平來決定它的狀態(tài)；而沒有時鐘脈沖輸入時，不管輸入端上的狀態(tài)如何變化，觸發(fā)器都不會改變原來的狀態(tài)。
圖3-5所示的R-S-T 觸發(fā)器（或稱同步觸發(fā)器），就是受時鐘脈沖控制的R-S觸發(fā)器，它與R-S觸發(fā)器的電路相比，多了兩個MOS管，它們的柵極都要受到時鐘脈沖控制。如果為不能導通，R、S不能起作用，觸發(fā)器不會改變原來的狀態(tài)。只有當為“1”電平時，才導通，此時R-S就和前述的觸發(fā)器一樣，完成觸發(fā)器的邏輯功能。
4、主從R-S觸發(fā)器

上面所講的R-S觸發(fā)器結構雖然簡單，但它的性能還不完善，不能進行計數，也不能構成移位寄存器。為了使觸發(fā)器的性能更趨完善，就需要作進一步改進。為此，發(fā)展了一種主從結構形式的R-S觸發(fā)器，它能使外來信息在時鐘脈沖作用的時間內送入主觸發(fā)器進行暫存，然后在相反時鐘脈沖（稱為補時鐘脈沖）的時間內，將主觸發(fā)器存貯的信息轉移給從觸發(fā)器。
圖3-6是由兩個獨立的R-S-T觸發(fā)器組成的主從觸發(fā)器，左邊的是主觸發(fā)器，右邊的是從觸發(fā)器。其聯結方法是將主觸發(fā)器的Q'及端分別與從觸發(fā)器的S'、R'端聯接。其中和分別為主從觸發(fā)器的預置位管，為預置位輸入端。當時，主從觸發(fā)器處于“0”狀態(tài)。和是分別受和脈沖控制的器件。由于和的控制，就使主、從兩觸發(fā)器隔離開來，消除了觸發(fā)器在一個時鐘脈沖作用期間，可能出現多次翻轉的空翻現象。
下面來分析主從R-S觸發(fā)器的功能。當時鐘脈沖CP由“0”變到“1”時，主觸發(fā)器的狀態(tài)變化與上面講的單個R-S觸發(fā)器相同。此時由于由“1”變到“0”，由導通變截止，所以從觸發(fā)器的狀態(tài)不變。當由“1”變到“0”時，管截止，這時主觸發(fā)器威將原來的信號貯存下來，同時由于從“0”變到“1”，導通，主觸發(fā)器的狀態(tài)就可轉移給從觸發(fā)器。
在設計電路時，一般主觸發(fā)器各器件的W/L都要比對應的從觸發(fā)器各器件的W/工小些，因為主觸發(fā)器只要驅動從觸發(fā)器，負載不大。然面從觸發(fā)器的輸出一般要接較大的負載，所以從觸發(fā)器各器件的W/L就要增大。當輸出端接的負載很大時，就有必要在輸出端再增加一級驅動器，否則從觸發(fā)器的晶片占有面積會太大。
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