专用集成电路的设计实践第3章 电路的设计.ppt

3.1　触发器的设计3.1.1　触发器的原理　　触发器是时序逻辑电路的最基本单元,在时序逻辑领域内占有相当重要的地位,它被作为基本记忆单元广泛应用于各种时序逻辑系统中。触发器包括单稳态触发器和双稳态触发器。我们把输出的电平有一个稳态和一个暂稳态的触发器称为单稳态触发器,而把输出电平为两个稳态的触发器称为双稳态触发器。触发器的种类很多,但所有的双稳态触发器都应具有以下特性: 　　(1)有两个互补的输出Q和Q,即当Q=0时,Q=1,而当Q=1时,Q=0。　　(2)有两个稳定状态。若输入不发生变化,触发器必定处于其中某一个稳定状态并且可以长期保持下去。一般当Q=0和Q=1时称触发器处于0态,而当Q=1和Q=0时称触发器处于1态。 　　(3)在输入信号的作用下,双稳态触发器可从一个稳定状态转换到另一个稳定状态,并继续稳定下去,直到下一次输入发生变化时,才可能再次改变状态。　　我们把输入信号没有发生变化直到输入信号发生变化之前的触发器状态称为电路的现在状态,用Qn和Qn来表示,而把输入信号发生变化后触发器所进入的状态称为它的下一态,用Qn+1和Qn+1表示。若用X来表示输入信号的集合,则触发器的下一状态是它的现在状态和输入信号的函数,即 　　式(3－1)称为触发器下一状态方程,简称状态方程,它是描述时序电路的最基本表达式。当然,对于每一种具体的触发器,状态方程的具体形式将各不相同,也就是每种触发器都有自己特定的状态方程,因此也把状态方程叫做特征方程。　　现在状态和下一状态是一个相对的概念,即是相对于输入变化而言的。在某一时刻输入变化后电路进入下一状态,而对于下一次变化而言,这就是触发器的现在状态。实际上也可以说,下一状态是对于某一时刻而言的,过了这个时刻,就为现在状态了。 　　由于触发器具有两个稳定状态:0态和1态,所以它就能记忆一位二进制数的两个状态,也可以记住外部事件的两个状态。这种记忆作用的实质就是在触发器的稳定状态和外部输入作用之间建立起一一对应的关系,然后通过检查触发器的状态,反映出外部输入的情况。一位触发器可表达、存储记忆一位二进制信息;多位触发器可表达、存储记忆多位二进制信息(一组二进制代码)。当输入信号发生变化时,触发器电路会自动地“触发翻转”——从某一稳定状态(初态)自动转变到另一稳定状态(次态)。而且,这一“触发翻转”过程进行得极为迅速,所经历的时间极短,可认为是瞬间完成的。引起“触发翻转”的输入信号称为“触发信号”。当触发信号撤销后,触发器的次态会保持下来,直到新的触发信号再次“触发”前,次态会保持不变。在触发信号作用下,触发器自动由“初态”翻转到“次态”(有时也称之为“状态更新”)。利用触发器存储记忆、触发翻转、次态能保持的功能,可以对二进制代码进行寄存、移位;也可以对输入脉冲信号个数进行计数;还可以处理和变换输入脉冲信号波形,构成寄存器、计数器、脉冲信号处理与产生电路等多种数字电路。 3.1.2　触发器的指标 　　1.建立时间　　建立时间是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前,数据稳定不变的时间,如果建立时间不够,数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器。由图3－1可见,由于CP信号是加到门G3和G4上的,因而在CP上升沿到达之前,门G5和G6输出端的状态必须稳定地建立起来。输入信号到达D端以后,G5的输出状态要经过一级门电路的传输延迟时间才能建立起来,而G6的输出状态需要经过两级门电路的传输延迟时间才能建立,因此D端的输入信号必须先于CP的上升沿到达,而且建立时间应满足:tset≥2tpd。 图3－1　维持阻塞D触发器结构 图3－2　维持阻塞D触发器动态波形 　　2.保持时间　　保持时间是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后,数据稳定不变的时间。由图3－1可知,为实现边沿触发,应保证CP=1期间门G6的输出状态不变,不受D端状态变化的影响。为此,在D=0的情况下,当CP上升沿到达以后还要等门G4输出的低电平返回到门G6的输入端以后,D端的低电平才允许改变。因此输入低电平信号的保持时间为tHLtpd。在D=1的情况下,由于CP上升沿到达后G3的输出将G4封锁,因此不要求输入信号继续保持不变,故输入高电平信号的保持时间tHH=0。 　　3.传输延迟时间　　信号在通过触发器传输的前后,会出现一段时间的延迟,人们把这段时间叫做传输延迟时间。由图3－3不难推算出,从CP上升沿到达时开始计算,输出由高电平变为低电平的传输延迟时间tPHL和由低电平变为高电平的传输延迟时间tPLH称为触发器的传输延迟时间。 图3－3　D触发器工作波形 　　4.最高时钟频率　　为使触发器能正常工作,时钟信号频率往往要小于某一特定的值,这个特定的值即为最高时钟频率。图3－1中,为了保证由门G1～G4