带复位的准静态D触发器

1目录一、引言……………………………………………………………2二、设计目的…………………………………………………….3三、设计任务及要求………………………………………….3四、设计思路……………………………………………………..31、主从D触发器逻辑电路图……………………32、工作原理………………………………………………4五、实际电路设计………………………………………………51、CMOS传输门…………………………………………52、CMOS反相器…………………………………………63、复位电路设计………………………………………..74、实际电路总图…………………………………………8六、仿真测试………………………………………………………..9七、总结……………………………………………………………….10八、参考文献………………………………………………………..112带复位的准静态D触发器一、引言触发器是构成时序逻辑电路的基本逻辑部件，它有两个稳定的状态：0状态和1状态；在外界信号作用下，可以从一个稳态转变为另一个稳态；无外界信号作用时状态保持不变。因此，触发器可以作为二进制存储单元使用。按功能分类可分为ＲＳ触发器、ＪＫ触发器、D触发器、施密特触发器等等。触发器可用来储存一位的数据。通过将若干个触发器连接在一起可储存多位元的数据，他们可用来表示时序器的状态、计数器的值、电脑记忆体中的ASCII码或其他资料。D触发器的原理：触发器是一种时钟控制的记忆器件，触发器具有一个控制输入讯号（CLOCK），CLOCK讯号是触发器只在特定时刻才按输入讯号改变输出状态。若触发器只在时钟由L到H（H到L）的转换时刻接受输入，则称这种触发器是上升沿（下降沿）触发的。其中D触发器是最常用的触发器之一。对于上升沿触发D触发器来说，其输出Q只在CLOCK由L到H的转换时刻才会跟随输入D的状态而变化，其他时候输出则维持不变，下图为上升沿触发D触发器的时序图。3基于之前所学的知识可知：动态电路利用栅电容存贮效应，但对时钟频率有要求，不能长期保存信号；而静态电路恰恰具有能长期保存信号的优点。由此，利用静态电路的直流存贮性能和动态电路的栅电容存贮效应，发展了一种介于两者之间的一种电路形式——准静态电路。这保持了两者的优点。本次设计中采用的是CMOS主从D触发器，其中存在直流反馈回路，构成反馈环，保存了输入的信息。此电路最简单的电气设计是选取kn=kp和VTH=VDD/2，最简单的版图布局结构则选取所有器件有相同的宽长比W/L。二、设计目的1、了解并熟练掌握D触发器的工作原理及电路图；2、熟练运用CMOS进行电路设计，实现相应的逻辑功能；3、学会设计复位电路，对电路实现复位功能；4、学会并熟练运用Cadence软件进行电路设计与仿真；5、能够独立分析设计过程中出现的问题并找到解决方法。三、设计任务及要求设计一个带复位的准静态D触发器。设计要求：采用0.5um的MOS工艺；时钟信号频率f=20MHz，占空比50%，上升沿触发；低电平复位。四、设计思路主从D触发器工作原理及逻辑电路图①逻辑电路图4图1CMOS主从D触发器的逻辑电路图用两个由反相时钟控制的D触发器级联就得到了一个D型主从触发器。由图（1）可知，D触发器只有一个输入端，它由两部分组成，虚线左边为主触发器，虚线右边为从触发器。主触发器和从触发器都是由传输门(TG)和反相器(G)经交叉连接构成的双稳态电路。由TG1、TG2、G1、G2组成主触发器，由TG3、TG4、G3和G4组成从触发器。其中CP和CP——为互补时钟脉冲。②工作原理触发器的工作过程分以下两个节拍：（１）当时钟信号CP＝０时，TG1导通，TG2截止，输入信号D送入主触发器。例如，D为1时，经TG1传到G1的输入端，使Q′=0，Q′——=1。同时，TG3截止，TG4导通，显然G3的输入端和G4的输出端经TG45连通，使触发器维持在原来的状态不变。（２）当CP由０跳变到１后，TG1截止，TG2导通，由此切断了D端与主触发器的联系，且同时TG2将G1的输入端和G2的输出端连通，使主触发器维持原态不变。从触发器的情况是，TG3导通，TG4截止，主触发器的状态送入从触发器。Q′=0经TG3传给G3的输入，于是Q—=0，Q=1。如上所述，图（１）所示触发器是在CP的正跳沿触发翻转。如果把所有传输门上的控制信号CP和CP——对换，那么就改成负跳沿触发。而触发器的状态仅取决于CP信号上升沿到达前瞬间的Ｄ信号。如果以Ｑｎ＋１表示CP信号下降沿到达后触发器的状态，则Ｄ触发器的特性可以用下式来表达：Ｑｎ＋１＝Ｄ，称为Ｄ触发器的特性方程。它反映了触发器在时钟信号作用后的状态与此前输入信号Ｄ的关系。五、实际电路设计1、CMOS传输门CMOS传输门实质上是我们所学过的电压模拟开关（1）当VC=“1”VTN时，MOS管导通，Vi与V0间连通，相当于开关导通状态；6（2）VC=“0”VTN时，MOS管截止，Vi与V0与间呈高阻态，相当于开关断开状态。（3）CMOS电路的特点：CMOS传输门的直流传输特性如图所示，由于它利用CMOS的互补作用，传输低电平靠N管，传输高电平靠P管，可以使信号做到无损传输。2、CMOS反相器CMOS反相器相当于非门,是数字集成电路中最基本的单元电路。搞清楚CMOS反相器的特性,可为一些复杂数字电路的设计打下基础。7CMOS反相器的直流传输特性3、复位电路设计为确保时序数字电路稳定可靠地工作，复位电路是必不可少的一部分。在这里，设计要求是低电平复位，即加上一个复位信号（负脉冲），电路会自动清零，即输出Q=0。当复位信号消失时，电路能够恢复正常工作。在本实验中，复位信号选用的是Vpwl，总时间为300ns的负脉冲；触发信号选用的是周期为T=130ns，脉宽为80ns的矩形波。设计时要考虑到优先级，在此选用的是与门逻辑电路（是由CMOS与非门加一级反相器构成），将复位信号和触发信号经过与门连接到D输入端，从而实现复位功能。具体复位电路如图（2）所示。8图2复位电路4、实际电路总图将图（1）中的传输门和反相器分别用CMOS传输门、CMOS倒相器来实现，然后在图（1）的基础上加上图（2）的复位电路，将具体器件按照规定连接起来，即构成了带复位的准静态D触发器电路。实际电路图如图（3）所示。9图3带复位的准静态D触发器电路图我们可以用真值表来表示D触发器的工作过程，如表（1）所示。表1CMOS边沿D触发器特性表CPDQnQn+1XXXQn000010101111六、仿真测试运用Cadence软件进行仿真测试，波形图如图（4）所示。其中由上往下依次是：复位信号、时钟信号、触发信号、输出端Q和反10相输出端Q—。图4仿真波形图由图（4）中可以清楚地看到：当施加一个低电平的复位信号时，不管触发信号如何，输出端Q都被置零，即Q=0。当复位信号消失后，输出信号Ｑ随着触发信号Ｄ变化，在时钟脉冲的上升沿发生翻转。七、总结在整个设计过程中，我受益匪浅。首先学会并且能够熟练运用Cadence软件进行电路的设计、仿真、测试。其次，加深了自己对D触发器工作原理的理解，并且自己能够根据要求独立进行电路设计，通过不断地改进电路图、解决出现的问题，最终设计出符合要求的电路图，实现相应的逻辑功能。11在复位电路的设计过程中，遇到了一些小困难。开始时把复位信号经过一个与非门直接加到G3的输入端，之后进行仿真，结果输出端Q恒等于0，也就是说当复位信号消失后，Ｑ一直处于置零状态。显然，复位信号的连接出现错误。之后经过与同学的讨论、分析，找到了解决办法。即把复位信号与触发信号经过一个与门输送到D输入端，即能够实现复位功能，而且当复位信号消失后，电路能正常工作。此次课程设计在加深与巩固自己所学知识的基础上，同时锻炼了自己的独立思考与解决问题的能力。八、参考文献1、《半导体集成电路设计》朱正勇著清华出版社2、《电子技术基础—数字部分》康华光主编高等教育出版社3、《超大规模集成电路设计导论》蔡懿慈清华大学出版社4、《模拟集成电路应用》王秀杰主编西北工业大学出版社