用CMOS传输门和CMOS非门设计边沿D触发器

1、数字电子技术研究性学习用CMO传输门和CMOSE门设计边沿D触发器姓 名： 贾岚婷学 号：班 级： 通信1307指导老师：侯建军时 间：2015年12月1日目录摘要 3关键字 3正文 31 电路结构图及其原理 311 传输门 312 与非门 313 D 触发器电路 42 电路工作原理仿真 53 特征方程、特征表、激励表与状态图 53 1 特征方程 532 特征表 53 3 激励表 63 4 状态图 64激励信号D的保持时间和时钟 CP的最大频率65 设计的 D 触发器转换成 JK 触发器和 T 触发器 85. 1 D触发器转换为JK触发器85. 2 D触发器转换为T触发器 96基于CMOS勺D

2、触发器芯片与基于 TTL的D触发器芯片外特性比较分析 117 CMOS D触发器的应用一一CD4013触摸开关138 总结 148. 1 总结 148. 2 感想 14参考文献 15摘要：本文主要研究了用CMO传输门和CMOSE门设计边沿D触发器。首先分析CMO传输门和CMOS!非门原理；然后设计出 CMO传输门和CMOS非门设计边沿D触发器；阐述电路工作原理；写出特征方程，画出特征表， 激励表与状态图；计算出激励信号 D的保持时间和时钟CP的最大频率;将设计的D触发器转换成JK触发器和T触发器，最后对CMO构成的D触发器进行辨证分析。关键词：CMO传输门；CMOSE门；边沿D触发器；1. 结

3、构图以及功能1.1 CMO传输门图 1 传输门的结构图原理： 所谓传输门(TG就是一种传输模拟信号的模拟幵关。CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOS管并联而成，如上图所示。 设它们的幵启电压|VT|=2V且输入模拟信号的变化范围为 0V到+5V。为使 衬底与漏源极之间的PN结任何时刻都不致正偏，故 T2的衬底接+5V电压， 而 T1 的衬底接地。传输门的工作情况如下：当 C端接低电压0V时T1的栅压即为0V, vl 取0V到+5V范围内的任意值时，TN均不导通。同时,TP的栅压为+5V, TP 亦不导通。可见，当 C 端接低电压时，开关是断开的。为使开关接通，可 将C端接高电压+5

4、V。此时T1的栅压为+5V, vl在0V到+3V的范围内，TN 导通。同时T2的棚压为-5V，vl在2V到+5V的范围内T2将导通。由上分析可知，当 vl v +3V时，仅有T1导通，而当vl > +3V时，仅有T2 导通当vl在2V到+3V的范围内，T1和T2两管均导通。进一步分析还可看 到，一管导通的程度愈深，另一管的导通程度则相应地减小。换句话说， 当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管系并联运 行，可近似地认为幵关的导通电阻近似为一常数。这是CMO传输出门的优点。1.2 CMOS!非门图 2 与非门的结构图原理：CMOS!非门的组成如上图所示，其工作原理如下：A

5、=0 ，B=0 时，T1、T2 并联(ON，T3、T4 串联(OFF，输出 丫=1。A=0 ，B=1 时，T1 (OFF)，T2 (ON，T4 (ON，T3 (OFF)，输出 Y=1。A=1，B=0 时，T1 (ON，T2 (OFF, T3 (ON，T4 (OFF)，输出 Y=1。A=1，B=1 时，T1、T2 并联(OFF，T3、T4 串联(ON，输出 Y=0。因此构成与非的关系。1.3 总体电路图 3 D 触发器结构图原理：当CP的上升沿到达(即CP'跳变为1,CP下降为0)时,TG1截 止,TG2导通，切断了 D信号的输入,由于G1的输入电容存储效应，G1输入端 电压不会立即消失

6、,于是Q、Q'在TG1截止前的状态被保存下来；同时由 于TG3导通、TG4截止,主触发器的状态通过 TG3和G3送到了输出端,使 Q=Q二D（CP上升沿到达时D的状态）,而Q=Q =Do在CP =1,CP ' =0期间,Q=Q =D,Q=Q =D的状态一直不会改变,直到 CP下降沿到达时（即CP跳变为O,CP '跳变为1）,TG2、TG3又截止,TG1、 TG4又导通,主触发器又幵始接收 D端新数据,从触发器维持已转换后的状 态。可见，这种触发器的动作特点是输出端的状态转换发生在CP的上升沿,而且触发器所保持的状态仅仅取决于CP上升沿到达时的输入状态。正因为触发器输出端

7、状态的转换发生在CP的上升沿（即CP的上升沿）,所以这是一个CP上升沿触发的边沿触发器,CP上升沿为有效触发沿,或称CP 上升沿为有效沿（下降沿为无效沿）。若将四个传输门的控制信号CP和CP极性都换成相反的状态，则CP下降沿为有效沿，而上升沿为无效沿。2. CMO构成的D触发器工作原理仿真图4仿真原理图图5仿真图3. 写出特征方程，画出特征表，激励表与状态图3.1特征方程臂碍,D3.2特征表表1特征表CP DX X00 113.3激励表表2激励表QnQn+1D0 00111001113.4状态转换图图6D触发器状态转换图4. 激励信号D勺保持时间和时钟CF的最大频率概念：平均传输延迟时间平均传

8、输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延迟了多少时间。图7门电路传输延迟时间导通延迟时间tPHL :输入波形上升沿的50%畐值处到输出波形下降沿 50%幅值处所需要 的时间。截止延迟时间tPLH:从输入波形下降沿50%幅值处到输出波形上升沿 50%幅值处所 需要的时间。平均传输延迟时间 tpd :四个传输门（TQ t具I有传输延迟牡tpd ）,五个反相器（G）也具有传 输延迟（tpdl ）,并且传输门（tG）在导通和截止转换时会存在延迟（tpd 2）。_当CP二时,TG1导通,TG2截止,D端输入信号送人主触发器中，使Q2= ,Q3=

9、D,但这时主触发器尚未形成反馈连接，不能自行保持。Q2 Q3艮随输入端D 端的状态变化；由于TG1和G1存在传输延迟设二者总的延迟时间为Tsu，如果D在CP由 1跳变为0前小于Tsu时间内发生跳变.，则跳变后的信号.由于 在传输过程中的延时Tsu无法在CP跳变前传送到Q2,而此时CP跳变完成，T G3导通TG4截止，Q2的状态.会通过TG3传送到从触发器中（Q4）,从而通 过G3专到了输出端。这时，由于 TG1已经截止，而且跳变:.没有传送到Q2, 所以也不会有电容电压保持,所以.就会衰弱消失，也阻止了其进入 TG 3干扰输出端的可能。所以，输入信号D只有在CF跳变之前>Tsu的时间里准

10、备好，触发器才能 将数据锁存到Q输出端口，Tus也就是所说的能够保证信号的建立时间由于传输门TG由具有延时效应的MO管和负载电容CL勾成，所以在导 通和截止时会存在延时tpd2。设tpd2为状态转换延迟,T2为信号传输延迟。将两者进行比较，得出两种情况:（1）当T2>tpd2时，不需有维持信号时间。分析：我们不妨以极限的思想讨论，tpd无限小，T2正常延迟数量级。此时TG1相当于理想开关，当时钟下降沿时瞬间关闭。因此此后的输入端 D的状态变化不可能传到Q1，更不可能影响到后续的信号传输。（2） 当T2<tpd2时，信号输入维持时间为：tpd2-T2.分析：当信号输入端D在CP由 1

11、跳变为0后，如果在某个时间（此时暂 不限定具体时间段）经过 TG专入到Q1 后，会通过G们传送到Q2或者反馈 电路Q1-TG2-G2-Q2 （此时TG2可能会已经导通，具体情况后续会详细分析） 传送到Q2,进而影响到Q3和输出端的状态，使之出现振荡。现在我们讨论能使D得突变信号干扰到输出端的具体时间段数值。由 于状态转换延迟时间为tpd2，传输时间为T2,只需在D跳变信号没有在TG1 开关截止前传输到Q1即可，也就是说，D跳变信号如果在TG确定截止后仍 没传送到Q1,就不会对后续信号造成影响。那么需要的保持时间T=tpd2-T2。进一步解释就是，如果信号D在CP下降沿后T的时间段内发生了跳变，

12、那么跳变的信号一.就会干扰到后面的信号。图8 D触发器波形图1信号保持时间CP=0寸，信号经过TG1和一个非门到达TG3的输入端，需要两个延迟时间，即2tpd，同时经过一个非门到达 TG2又需一个延时时间，即1tpd，因而信号的保持时间thold = 2tpd + tpd = 3tpd 。2. CP频率要求当CP从0变为1的上升沿时刻，TG3和TG2导通。此时触发器1将输入信号D保存下来，并且 经过两个延时时间，即 2tpd，信号经过TG3和非门到达输出端，tout = 2tpd 。由信号的 保持时间和输出时延可得，时钟 CP勺高低电平保持时间须分别满足以下条件：tCPL > thold

13、 = 3tpdtCPH > tout = 3tpd则：TCP = tCPL + tCPH > 6tpdfCP w 1 / 6tpd5将设计的D触发器转换成JK触发器和T触发器5.1 D触发器转换成JK触发器D触发器的状态方程是：Q*=Djk触发器的状态方程是：Q*=JQ'+K'Q。让两式相等可得：D=JQ'+K'Q。用门电路实现上述函数即可转换成为jk触发器图9 D触发器转换JK触发器电路图5.2 D触发器转成T触发器图10 D触发器转换称T触发器电路图6. CMO构成的D触发器与TTL构成的D触发器比较常用的TTL型双D触发器74LS74引脚功能如

14、图8所示，CM0型双D触发 器CC4013引脚功能如图9所示图8 74LS74引脚功能74LS47和74HC47都是双D触发器，其功能比较的多，可用作寄存器，移位寄存器，振荡器，单稳态，分频计数器等功能。不同的是74LS74是由TTL门电路构成而74HC74是由CMOS 门电路构成，下面我将分析比较两块芯片的功能。下面以TTL电路:74LS74芯片和CMO电路:74HC74芯片为例，讨论TTL以及CMO电路的特 点,进而分析好坏。为了比较方便，参数均采用额定参数.具体参数见表3所示.表3 74LS74, 74HC74部分参数对照表74LS7474HC74功耗P (mW20.004传输延迟Tpd

15、(ns)19 ns17 nsTplh(ns)1320Tphl(ns)2520Tsu(ns)2016Th(ns)53.0TAC)0-70-4085二者比较分析：1. 静态功耗CMO集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场 效应管总是处于一个管导通另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为 零。实际上，由于存在漏电流，CMO电路尚有微量静态功耗。根据上表的数据可知，74HC74E片的静态功耗为0.004mw。同时74LS74芯片通过提高 电路中个电阻的阻值，改变电阻的连接方向，降低了功耗。通过上表参数 可知，74LS74勺功耗为20mw两者相比较，虽然功耗都非常低，接近于0,但是CM

16、O集成电路74HC74E片的静态功耗更低，两个相差四个数量级。2. 工作电压范围CMO集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。由上表 可知,74HC74芯片的供电电源范围为2-6V,远远大于74LS74芯片的供电电 源范围 4.75-5.35V。3. 逻辑摆幅CMOS成电路的逻辑高电平"1"、逻辑低电平"0"分别接近于电源高电 位VD及电源低电位VSS由上表可知，输出电压Uout为-0.5 -VCC + 0.5,当VDD=6V VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似7V。而74LS74芯片的输出电压 摆幅为(3.5-0.35)V=3.15V 。因此，

17、CMOS成电路74HC7芯片的逻辑摆幅 比TTL集成电路的74LS74大，似的电源电压得到了充分的利用。4. 抗干扰能力CMC的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差。根据上表中的参数可知，74HC74芯片的高低电平差距为7V,74LS74 芯片的高低电平差距为3.15V.所以可知74HC74E片的抗干扰能力更强根 据上表的参数无法计算出电压噪声容限 , 所以只能利用典型值进行定性分 析.CMOS!成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%保证值为电源电压的 30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增 加。对于VDD=15的供电电压（当VSS=0V

18、时），电路将有7V左右的噪声容限.5. 扇出系数扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于CMC集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是， 当CMO集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端 .通常门的驱动能力由前级门输出的高低电平，输出的驱动电流及后级 门的输入电流等参数决定。当两个电路驱动同类型的电路时，CMO电路的驱动能力比TTL电路强得多。但是，静态情况下估算出的 CMOS扇出系数 往往很大，实际使用时考虑到门电路的输入电容等因素的影响，电路中的 充、放电将直接影响到信号的传输速度。因此，在信号的频率较高时，CMOS6路的扇

19、出系数一般取1020左右。用CMO驱动CMOS时通常不考虑扇 出系数。用CMO直接驱动TTL门肘，通常一个只能驱动一个。6. 集成度，温度稳定性能由于CMO集成电路的功耗很低，内部发热量少，所以集成度可大大提 高。而且，CMO电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生 变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMO集成电路的温度特性非常好。由上表可知74HC7的工作温度范围为-4085 C，而74LS74的工作温 度范围是0-70 C。因此，CMO集成电路74HC74芯片的温度稳定性能相比于 CMO集成电路74HC74E片更好，同时集成度也更高。？?？7. 传输时间根据上表的参数可知，

20、CMO集成电路74HC7芯片的传输延迟时间为17 ns，TTL集成电路的74LS74芯片的延迟时间为19ns，两者传输延迟时间同 一数量级，大小几乎相等，传输时间都很短，传输速度快。TTL电路以双极型晶体管为开关元件，所以又称双极型集成电路。双极型数字集成电路 是利用电子和空穴两种不同极性的载流子进行电传导的器件。 它具有速度高 （开关速度快） 、 驱动能力强等优点，但其功耗较大，集成度相对较低。TTL电路以双极型晶体管为开关元件， 所以又称双极型集成电路。 双极型数字集成电路是利用电子和空穴两种不同极性的载流子进 行电传导的器件。它具有速度高（开关速度快） 、驱动能力强等优点，但其功耗较大，

21、集成 度相对较低。MO电路又称场效应集成电路，属于单极型数字集成电路。单极型数字集成电路中只利 用一种极性的载流子（电子或空穴）进行电传导。它的主要优点是输入阻抗高、功耗低、抗 干扰能力强且适合大规模集成。CMO与TTL电路相互比较：1) TTL电路是电流控制器件，而 CMO电路是电压控制器件。2) TTL电路的速度快，传输延迟时间短 (5-10ns)，但是功耗大。COM电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COM电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。3) 由于CMO集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMO电路线路结构和电气参 数

22、都具有对称性，在温度环境发生变化时， 某些参数能起到自动补偿作用， 因而CMO集成电 路的温度特性非常好。 一般陶瓷金属封装的电路， 工作温度为-55 +125 C；塑料封装的电 路工作温度范围为-45 +85 C。4) CMOS电路是电压控制器件， 输入电阻极大，对于干扰信号十分敏感， 因此不用的输入端不应开路，接到地或者电源上。CMO电路的优点是噪声容限较宽，静态功耗很小。7.CMOS D触发器的应用一一CD4013触摸开关M为触摸电极片，手指摸一下M使人体泄漏的交流电在 R4上的压降， 其正半周信号进入IC1的第3脚即单稳态电路的 CP端，使单稳态电路反 转进入瞬时，其输出端 Q即1脚由

23、原来的低电位跳变为高电位，此高电位 经R1向C2充电，使4脚即R1端的电位上升，当上升到复位电位时，单 稳态电路复位， 1 脚恢复低电位。所以每触摸一次电极片 M， 1 脚就输出一 个固定宽度的正脉波。此正脉波将直接加到11脚即双稳态电路的CP端，使双稳态电路反转一次，其输出端 Q即13脚电位就改变一次。当13脚为 高电位时， Q1 的基极透过 R2 获得正向电流而开通，使继电器动作，进而 以它的接点来做控制。由此可见，每触摸一次电极片M就能实现继电器“开”或“关”的动作。图 10 CD4013 触摸开关电路原理图8. 总结总结：在撰写数电研讨论文的过程，学生逐字推敲，精益求精，力求使整个论文

24、思路清晰，文笔简洁，格式正确，讲解透彻而不累赘，希望通过这篇论文对自己的数电研讨成果做一个阶段性的总结，同时加深自己对相关知识的理解。在撰写这篇研讨时，我查阅很多资料，对 D触发器进行了充分的原理，对书本上有关CMOS!路和TTL电路进行了复习。与此同时，我浏览了很多课外文献，发现了一片更广阔的天空，阅读大家的思想可以让自己有巨大的收获！通篇来看，本文：1. 注重理论知识与实际的联系。在研究D 触发器理论的同时，对实际芯片74HC74与74LS74相比较，从功耗、抗干扰能力等方面进行对比分析，既在理论方 面上对 D 触发器进行了掌握，也在实际方面对 D 触发器的应用有了些许了解。2. 注重哲学思想（从局部到整体，再从整体到局部，辨证思想）的运用。哲学是知识中的知识，首先应用局部到整体的思想，分析构成D 触发器的门电路 : 传输门和与非门，再从整体到局部分析其性能。紧接着用辩证的思想对74HC74 和74LS74 进行分析，分析其优缺点。3. 注意对软件的应用。在撰写这篇论文时，我用multisim 进行仿真，在利用multisam 仿真软件的过程中， 不断的