MOS R-S管触发器工作原理及设计考虑详解分析

MOS触发器简介
触发器和其它逻辑部件，在第二章中，已介绍了“与”门、“或”门、“非”门、“与非”、“或非”及“与或非”等逻辑门。这些逻辑门的输出由输入状态决定，如果输入状态改变，输出也立刻作相应的改变。利用这些逐辑门可以实现逻辑计算和逻辑控制。但这些门电路不具备“记忆”信号的作用，输入信号一旦消失，输出信号就不复存在。在数字系统中，还需要具有计数、移位以及存贮指令和代码的电路，即要求这些电路具有“记忆”信号的功能。触发器就是具有“记忆”作用的电路，它具有两个稳定状态，可以把二进制代码的“1”和“0”存贮起来。因此，可以利用触发器来构成计数器、移位寄存器和存贮器等各种复杂的逻辑电路。R-S管触发器,本章主要介绍各种MOS型触发器和其它逻辑部件，诸如译码器、加法器、移位寄存器等的工作原理及其逻辑功能。
MOS R-S触发器
触发器种类很多，如按功能可以分为R-S触发器、J-K尽触发器、D触发器等类型，按工作原理可以分为静态触发器、准静态触发器和动态触发器，但它们的逻辑结构是基本相同的。下面将分别介绍各种触发器的电路结构及其逻辑功能。
一、R-S触发器
1、两级倒和器组成的双稳态触发器
图3-1是由两级PMOS倒相器交叉耦合的双稳态触发器电路。
在PMOS电路中，有正逻辑规定，也有负逻辑规定。这里我们采用负逻辑规定来讨论PMOS电路的工作原理。
在这个PMOS电路里，组成第一级倒相器，组成第二级倒相器。第一级倒相器的输出端接第二级倒相器的输入端，第二级倒相器的输出端接第一级倒相器的输入端，两个输出端分别用Q和Q表示。
这种触发器具有两个稳定状态。一个稳定状态是导通而截止，另一个稳定状态是导通而截止。如果没有外界的影响，电路将长期处于某一个稳定状态，所以通常称它为双稳状触发器。
为了说明触发器的这种特点，我们先假定导通，此时输出端Q为“0”电平。由于输出端Q与另一个倒相器的输入端相连，因此可以使截止，使输出端为“1”电平，输出端与的栅极又是连在一起的，这样就保证了导通。如果没有外来信号，这种状态就会长期保持下去。这是触发器的第一个稳定状态。
“当好导通时，输出端Q为“0”电平，同样道理会使截止，使输出端Q为“1”电平，这个“1”电平又加在的栅极上，保证了的导通。这是触发器的另一个稳定状态。
通常把称为“0”状态，而就称为“1”状态。由此可见，触发器能够把电信号“1”或“0”长期保存下来，起到“记忆”电信号的作用。
如果要使触发器从一个稳定状态变到另一个稳定状态，就需要给触发器施加一个信号。假设触发器原来处于“0”状态，即，如果把端接地，就会使截止，使Q由“0”变到“1”，从而导致导通，使Q由“1”变到“0”，触发器就从“0”状态变到“1”状态。这种状态转变，通常叫做触发器的“翻转”。
上述触发器，Q和Q既是输入端又是输出端，因此在实际电路中是不能应用的。能够应用的触发器，其输入端和输出端必须是分开的。下面介绍由上述最简单触发器演变出来的各种触发器电路。
2、基本的R-S触发器

R-S触发器又叫做置位-复位触发器。其电路如图3-2所示。这是在上述双稳态触发器的基础上，加上两管，使分别与相并联。其实，它是由两个交又相连的“或非”门电路构成的。Q和同样表示两个输出端，R和S是两个输入端。
（1）工作原理
假设触发器开始处于“0”状态（），即导通截止。为了使触发器由“0”状态变到“1”状态，只要使输入端R保持“0”电平，而在S端加一个“1”“电平，因为电平时，导通，使输出“0”电平，而使截止，截止后使Q变成“1”电平，反过来使导通。这样，即使S输入端上的信号“1”没有了，触发器还会保持裁止、导通的“1”状态。因此输入端S叫做置“1”输入端，又做置位输入端。
要使触发器由“1”状态恢复到“0”状态，只要使S端保持“0”电平，而在B端上加一个“1”电平就行了。因为时，立刻导通，使Q由“1”变到“0”，这个“0”又输入到管的栅极使截止，由于原来是截止的，所以由“0”变到“1”。触发器由“1”状态恢复到“0”状态。因此R端叫做置“0”输出端，又称复位输入端。
在R-S触发器里，如果R和S两个输入端都保持“0”电平，则都截止，触发器保持原来的状态不变。如果R和S两个输入端都加上“1”电平，则都导通，两个输出端Q和都变成了“0”电平，使都截止，破坏了触发器的正常状态。当R和S两个输入端都由1”电平恢复到“0”电平后，触发器的状态就不能确定，不能肯定是处于“1”状态，还是处于“0”状态。因此，在R-S触发器的工作过程里，B和S两个输入端上不能同时加“1”电平。下面是R-触发器的逻辑图及真值表。
为了更好地描述R-S触发器的工作过程，我们在图3-4中画出了它的输入和输出脉冲被形。从图中可以看出，在S端加“1”电平，就可以使触发器由“0”状态变为“1”状态，但如果触发器已经处于“1”状态，在端上加负脉冲就不会使触发器再发生变化。若在R端加“1”电平，可以使触发器由“1”状态变为“0”状态，如果触发器已经处于“0”状态，在R输入端加“1”电平，也不会使触发器再发生变化。从图3-4看到，Q和的变化是同时发生的，这是理想的情况。在实际上，由于延迟效应，的变化比R、S的变化要滞后一些。
（2）设计考虑

要使电路具有上述的两个稳定状态，必须正确地选择电路中各个器件的参数和工作条件。否则，电路就不能保证有两个稳定的工作状态，不能实现触发器的逻辑功能。下面介绍电路正常工作所需要的条件及设计思想。
①最高工作频率
为了使R-S触发器稳定地工作，触发脉冲的宽度必须大于，因此触发器的最高频率为：
其中为一级门的平均传输延迟时间。（3-1）式给出了最高工作频率与组成触发器各个逻辑门延迟时间的关系。因此，在设计时，就可以根据工作频率的要求，确定出各逻辑门的延迟时间，从而确定各逻辑门的器件参数。
②输出电平
要使R-S触发器能保持正常工作，输出端Q（或）的“0”电平的绝对值必须小于门电路的关门电平，而“1”电平的绝对值必须大于门电路的开门电平，使门电路可靠地截止和充分导通，从而保证触发器处于稳定的工作状态。根据这个要求，可以确定门电路负载管和输入管的跨导比。
③静态功耗
R-S触发器是双稳态电路，组成触发器的两个门，在工作时总有一个门导通，另一个门截止。因此计算触发器的静态功耗只考虑一个门即可。与倒相器的设计一样，功耗和速度是矛盾的，它们与负载管的几何尺寸有关。
（3）基本R-S触发器的特点

从上面分析知道，它是由两个“或非”门连结而成，电路对称，结构简单，是其它触发器的基础。它的特点是：
①具有两个稳定的工作状态，有“记忆”信息的功能。
②通过R、S输入端分别加负脉冲，可以实现置“0”或置“1”的功能。但是，R-S触发器状态的存入无法从时间上得到控制，而在各单元之间必须协同动作的中大规模集成电路中，难以直接应用。况且R-S触发器只有置“1”置“0”的功能，R、S端不能同时为“1”脉冲。所以必须对基本的R-S触发器进行不断的改进，使其具有完善的功能。
3、R-S-T燃发器
在计算机使用触发器时，常常要用脉冲来控制触发器翻转的时间，这种控制触发器翻转时间的脉冲叫做时钟脉冲，常用符号来表示。只有当时钟脉冲输入时，触发器才会根据输入端上的电平来决定它的状态；而没有时钟脉冲输入时，不管输入端上的状态如何变化，触发器都不会改变原来的状态。
图3-5所示的R-S-T 触发器（或称同步触发器），就是受时钟脉冲控制的R-S触发器，它与R-S触发器的电路相比，多了两个MOS管，它们的栅极都要受到时钟脉冲控制。如果为不能导通，R、S不能起作用，触发器不会改变原来的状态。只有当为“1”电平时，才导通，此时R-S就和前述的触发器一样，完成触发器的逻辑功能。
4、主从R-S触发器

上面所讲的R-S触发器结构虽然简单，但它的性能还不完善，不能进行计数，也不能构成移位寄存器。为了使触发器的性能更趋完善，就需要作进一步改进。为此，发展了一种主从结构形式的R-S触发器，它能使外来信息在时钟脉冲作用的时间内送入主触发器进行暂存，然后在相反时钟脉冲（称为补时钟脉冲）的时间内，将主触发器存贮的信息转移给从触发器。
图3-6是由两个独立的R-S-T触发器组成的主从触发器，左边的是主触发器，右边的是从触发器。其联结方法是将主触发器的Q'及端分别与从触发器的S'、R'端联接。其中和分别为主从触发器的预置位管，为预置位输入端。当时，主从触发器处于“0”状态。和是分别受和脉冲控制的器件。由于和的控制，就使主、从两触发器隔离开来，消除了触发器在一个时钟脉冲作用期间，可能出现多次翻转的空翻现象。
下面来分析主从R-S触发器的功能。当时钟脉冲CP由“0”变到“1”时，主触发器的状态变化与上面讲的单个R-S触发器相同。此时由于由“1”变到“0”，由导通变截止，所以从触发器的状态不变。当由“1”变到“0”时，管截止，这时主触发器威将原来的信号贮存下来，同时由于从“0”变到“1”，导通，主触发器的状态就可转移给从触发器。
在设计电路时，一般主触发器各器件的W/L都要比对应的从触发器各器件的W/工小些，因为主触发器只要驱动从触发器，负载不大。然面从触发器的输出一般要接较大的负载，所以从触发器各器件的W/L就要增大。当输出端接的负载很大时，就有必要在输出端再增加一级驱动器，否则从触发器的晶片占有面积会太大。
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