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1、精选优质文档-倾情为你奉上目录一、 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.11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。按功能分类可分为触发器、触发器、D触发器、施密特触发器等等。触发器
2、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。基于之前所学的知识可
3、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、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逻辑电路图图1 CMOS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
5、、TG2、G1、G2组成主触发器,由TG3、TG4、G3和G4组成从触发器。其中CP和为互补时钟脉冲。工作原理触发器的工作过程分以下两个节拍: ()当时钟信号CP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,=1。同时,TG3截止,TG4导通,显然G3的输入端和G4的输出端经TG4连通,使触发器维持在原来的状态不变。()当CP由跳变到后,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
6、经TG3传给G3的输入,于是=0,Q=1。如上所述,图()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信号。如果以表示CP信号下降沿到达后触发器的状态,则触发器的特性可以用下式来表达:,称为触发器的特性方程。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;(2)VC=“0” VTN时,MOS管截止, Vi与V0与间呈高阻态
7、,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。CMOS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
8、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。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。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1 C
9、MOS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和反相输出端。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,输出信号随着触发信号变化,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
10、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。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,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专心-专注-专业