数电研讨用CMOS传输门和CMOS非门设计边沿D触发器.docx
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数电研讨用CMOS传输门和CMOS非门设计边沿D触发器
数字电子技术研究性学习报告
用CMOS传输门和CMOS非门设计边沿D触发器
第一章基本器件结构图以及功能
1.1CMOS传输门
图1
原理:
所谓传输门(TG)就是一种传输模拟信号的模拟开关。
CMOS传输门(如图1)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。
设它们的开启电压|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,vI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+5V。
此时T1的栅压为+5V,vI在0V到+3V的范围内,TN导通。
同时T2的棚压为-5V,vI在2V到+5V的范围内T2将导通。
由上分析可知,当vI<+3V时,仅有T1导通,而当vI>+3V时,仅有T2导通当vI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,可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。
这是CMOS传输出门的优点。
1.2CMOS反相器
1.2.1电压传输特性和电流传输特性
CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。
(如图2)
图2
工作区Ⅰ:
由于输入管截止,故vO=VDD,处于稳定关态。
工作区Ⅲ:
PMOS和NMOS均处于饱和状态,特性曲线急剧变化,vI值等于阈值电压Vth。
工作区Ⅴ:
负载管截止,输入管处于非饱和状态,所以vO≈0V,处于稳定的开态。
CMOS反相器的电流传输特性曲线如图3,只在工作区Ⅲ时,由于负载管和输入管都处于饱和导通状态,会产生一个较大的电流。
其余情况下,电流都极小。
图3
1.2.2CMOS反相器特点
静态功耗极低。
在稳定时,CMOS反相器工作在工作区Ⅰ和工作区Ⅴ,总有一个MOS管处于截止状态,流过的电流为极小的漏电流。
抗干扰能力较强。
由于其阈值电平近似为0.5VDD,输入信号变化时,过渡变化陡峭,所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等,且随电源电压升高,抗干扰能力增强。
电源利用率高。
VOH=VDD,同时由于阈值电压随VDD变化而变化,所以允许VDD有较宽的变化范围,一般为+3~+18V。
输入阻抗高,带负载能力强。
第二章设计方案一
2.1设计思路
最初拿到这个题,感觉有些难度,相比直接由CMOS传输门和S反相器设计出D触发器,我感觉由以上两种器件设计出与非门较简单。
设计出的与非门如图4。
2.2性能评估
1.构成较复杂:
由于一个两输入的与非门就需要8个传输门以及10个非门,若需要三输入的与非门则需要更多的传输门以及与非门,所以电路构成复杂。
图4
2.电路利用率较低:
当一条支路通路时,其他之
路处于闲置状态,所以电路的利用率低。
第三章设计方案二
3.1电路结构图
图5
3.2工作原理
如图5。
当cp低电平时,TG1导通、TG2截止,D信号经过传输门输入,_Q=_D、Q=D,电路输出Q跟随D信号变化。
当cp上升沿时,TG1截止、TG2导通,D信号不能传输,D信号的改变对输出不会产生影响,输出端的两个非门首尾相连,保持上升沿时刻的状态不变。
。
此方案由手动开启和关闭传输门来体现D触发器的特性。
波形如图6。
由图6可知,若CP上升前,即D触发器关闭前,输入D发生突变,输出会有影响。
3.3性能评估
1.元件数量少:
整个电路只需要5个元件,包括两个传输门以及三个非门。
2.传输时间短:
信号经过电路时,只需要通过三个非门和一个传输门即可输出。
传输时间大概为40ns。
3.功耗小:
组成电路的元器件都为CMOS元器件,功耗小。
4.人性化:
可人为手动控制。
若输入了错误信号,则可在时钟上升沿到来前进行改正。
5.抗干扰能力不强:
在时钟上升沿到来之前,传输门一直处于开启状态。
如果在时钟上升沿到来前,信号发生了突变,则导致输出了错误的信号,所以抗干扰能力有待提高。
图6
第四章设计方案三
4.1电路结构图
图7
4.2工作原理
如图7。
当CP的上升沿到达时,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,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=D(CP上升沿到达时D的状态),而-Q=-D。
在CP高电平期间,Q=D,-Q=-D的状态一直不会改变,直到CP下降沿到达时,TG2、TG3又截止,TG1、TG4又导通,主触发器又开始接收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)。
4.3性能评估
1.传输时间较短:
信号经过电路时,需要通过三个非门和三个传输门即可输出。
传输时间大概为60ns。
2.功耗较小:
组成电路的元器件都为CMOS元器件,功耗小。
3.抗干扰能力强:
传输门只于上升沿到来前后几十纳秒内处于开启状态,其他时间都处于关闭状态,此时信号无法输入。
因此只要保证信号在上升沿到来前后20ns内保持不变即可将信号准确地传输。
所以抗干扰能力强。
4.电子元器件较多,成本略高:
一个触发器需要9个原件,其中包括4个传输门以及5个非门。
所以成本略高。
4.4方案对比
方案二
方案三
元件数量少,成本较低
电路较复杂,成本较高
传输时间短
传输时间较短
功耗小
功耗较小
抗干扰能力不强
抗干扰能力强
可人为手动控制,输入错误后可以改正
表4-1
通过两种方案(表4-1)的对比可以根据其性能以及自身需求对此两种方案进行合理选择。
第五章激励信号D的保持时间和时钟CP的最大频率
5.1分析与结论
假设,信号通过传输门及反相器的时间为t1。
D信号的保持时间需大于3t1,才能保证D信号能够存储下来。
如果CP下降沿后,D信号才被锁存,在此期间如果D信号有突变,将影响输出结果,所以电路需保证D信号存储后CP再变为低电平,也就是说CP高电平的时间需大于3t1,设CP周期为TCP,则推出的解释即为CP需满足0.5TCP大于3t1,即fCP小于1/6t1。
第六章写出特征方程,画出特征表,激励表与状态图
6.1特征方程
6.2特征表(如表5-1)
CP
D
Qn+1
X
X
Qn
0
0
1
1
表5-1特征表
6.3激励表(如表5-2)
Qn
Qn+1
D
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
表5-2激励表
6.4状态转换图(如图8)
图8
第七章设计拓展
7.1思想启发
本次研究性学习主要是使用CMOS传输门和CMOS反相器设计D触发器。
但为了加深我对电子元器件的理解并充分锻炼我的设计能力,我想到用CMOS传输门和CMOS反相器设计一个抢答器。
7.2功能简述
此电路中有N个输入和N个输出,每个人对应各自的一个输出,每个输出端各连接一个灯。
先按下的人会使其他人的抢答器失效,同时该人的信号输出,灯亮起,表示该人抢答成功。
7.3电路结构
7.3.1由CMOS传输门和CMOS反相器构成的异或门
工作原理:
如图9,此与非门由三个反相器和一个传输门构成。
A=B=0:
TG断开,则C=—B=1,F=—C=0;A=B=1:
TG导通,C=B=1,反相器2的两只MOS管都截止,输出F=0;A=1,B=0:
TG导通,F=1;A=0,B=1:
TG断开,F=1。
图9
7.3.2抢答器结构图如图10
图10
7.3.3工作原理
如图11,当A先闭合开关时,高电平通过传输门A1输出,LED1亮起。
图11
如图12,与此同时使异或门U6的两个输入都为1,异或门U6输出0,使得传输门A2关闭,B的信号无法传递到输出灯LED2。
反之亦然。
图12
7.4电路的改进
7.4.1改进的原因
由原电路可知,如果有N个输入则有N个输出,每个输出都回对应一个灯,这样一来,如果输入很多,则需要更多的灯,导致成本变高,而且电路多变,不利于集成量产。
而如果最后由数码管显示出数字,则可降低成本。
改进后的电路图如图13。
图13
第八章将设计的D触发器转换成JK触发器和T触发器
8.1D触发器转换成JK触发器(如图14)
D触发器的状态方程是:
Qn+1=D;
jk触发器的状态方程是:
Qn+1=J—Qn+—KQn。
让两式相等
可得:
D=J—Qn+—KQn。
用门电路实现上述函数即可转换成为JK触发器
图14
8.2D触发器转成T触发器(如图15)
图15
第九章收获与感想
本次数电研究性学习,大大加深了我对触发器的理解,也充分地锻炼了我的设计能力,我感到这次研讨对我有意义深远的作用,因此我做出了如下总结。
1.通过本次研究性学习,让我明白对于一个课题来说,什么叫研究,通过什么研究,怎样研究。
不仅要表达出原理,画出电路图,进行仿真,而且还要讨论其性能。
除此以外,还要和其他方案进行横向比较,在不同需求下选择不同方案。
2.认识到理论知识与实际相结合的重要性。
在课本上学习内容远远不够,当我亲手去设计一些东西的时候才感觉到理论与实践的差异。
这让我明白只有把理论与实践相结合才能学好这门课。
3.熟练了对于MULTISM软件的使用。
刚刚使用这个软件时,大部分元件需要上网查找资料才能在软件中找到。
本次研究性学习需要多次使用此软件进行操作。
我从磕磕绊绊地查找元器件到在短时间内就能够制作出完整的电路。
这对于我来说是一个飞跃。
4.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。
坦白地说,由于这学期学生工作比较繁重,我对于本学科学的并不是很透彻,所以最初做出来的报告不太详尽,自己的东西也比较少,再加上格式的问题,给老师看了几分钟就被打了回来,我深表惭愧。
但我没有灰心,而是回去认真阅读课本,加深了解后进行设计,不仅如此,我还通过自己的反复琢磨进行了拓展,设计出了由CMOS传输门和CMOS反相器构成的抢答器,希望没有辜负老师的期望,也对得起这个优秀的专业,以及作为一名交大学子的本分。
可以说,如果没有老师的高标准严要求,我无法做出这样完整的报告,也不可能对本学科进行如此深入地研究。
我也深知,老师的批评意味着对我还有希望,所以我更要尽力去证明自己。
最后我想感谢老师的耐心教导,让我懂得认真能把事情多对,用心能把事情做好。
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- 研讨 CMOS 传输 非门 设计 边沿 触发器
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