MOS R-S管觸發器工作原理及設計考慮詳解分析

• MOS觸發器簡介

• 觸發器和其它邏輯部件，在第二章中，已介紹了“與”門、“或”門、“非”門、“與非”、“或非”及“與或非”等邏輯門。這些邏輯門的輸出由輸入狀態決定，如果輸入狀態改變，輸出也立刻作相應的改變。利用這些逐輯門可以實現邏輯計算和邏輯控制。但這些門電路不具備“記憶”信號的作用，輸入信號一旦消失，輸出信號就不復存在。在數字系統中，還需要具有計數、移位以及存貯指令和代碼的電路，即要求這些電路具有“記憶”信號的功能。觸發器就是具有“記憶”作用的電路，它具有兩個穩定狀態，可以把二進制代碼的“1”和“0”存貯起來。因此，可以利用觸發器來構成計數器、移位寄存器和存貯器等各種復雜的邏輯電路。R-S管觸發器,本章主要介紹各種MOS型觸發器和其它邏輯部件，諸如譯碼器、加法器、移位寄存器等的工作原理及其邏輯功能。

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• MOS R-S觸發器

• 觸發器種類很多，如按功能可以分為R-S觸發器、J-K盡觸發器、D觸發器等類型，按工作原理可以分為靜態觸發器、準靜態觸發器和動態觸發器，但它們的邏輯結構是基本相同的。下面將分別介紹各種觸發器的電路結構及其邏輯功能。

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• 一、R-S觸發器

• 1、兩級倒和器組成的雙穩態觸發器
  圖3-1是由兩級PMOS倒相器交叉耦合的雙穩態觸發器電路。

• 在PMOS電路中，有正邏輯規定，也有負邏輯規定。這里我們采用負邏輯規定來討論PMOS電路的工作原理。

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• 在這個PMOS電路里，組成第一級倒相器，組成第二級倒相器。第一級倒相器的輸出端接第二級倒相器的輸入端，第二級倒相器的輸出端接第一級倒相器的輸入端，兩個輸出端分別用Q和Q表示。
  
  

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• 這種觸發器具有兩個穩定狀態。一個穩定狀態是導通而截止，另一個穩定狀態是導通而截止。如果沒有外界的影響，電路將長期處于某一個穩定狀態，所以通常稱它為雙穩狀觸發器。

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• 為了說明觸發器的這種特點，我們先假定導通，此時輸出端Q為“0”電平。由于輸出端Q與另一個倒相器的輸入端相連，因此可以使截止，使輸出端為“1”電平，輸出端與的柵極又是連在一起的，這樣就保證了導通。如果沒有外來信號，這種狀態就會長期保持下去。這是觸發器的第一個穩定狀態。

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• “當好導通時，輸出端Q為“0”電平，同樣道理會使截止，使輸出端Q為“1”電平，這個“1”電平又加在的柵極上，保證了的導通。這是觸發器的另一個穩定狀態。

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• 通常把稱為“0”狀態，而就稱為“1”狀態。由此可見，觸發器能夠把電信號“1”或“0”長期保存下來，起到“記憶”電信號的作用。

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• 如果要使觸發器從一個穩定狀態變到另一個穩定狀態，就需要給觸發器施加一個信號。假設觸發器原來處于“0”狀態，即，如果把端接地，就會使截止，使Q由“0”變到“1”，從而導致導通，使Q由“1”變到“0”，觸發器就從“0”狀態變到“1”狀態。這種狀態轉變，通常叫做觸發器的“翻轉”。

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• 上述觸發器，Q和Q既是輸入端又是輸出端，因此在實際電路中是不能應用的。能夠應用的觸發器，其輸入端和輸出端必須是分開的。下面介紹由上述最簡單觸發器演變出來的各種觸發器電路。

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• 2、基本的R-S觸發器
  
  R-S觸發器又叫做置位-復位觸發器。其電路如圖3-2所示。這是在上述雙穩態觸發器的基礎上，加上兩管，使分別與相并聯。其實，它是由兩個交又相連的“或非”門電路構成的。Q和同樣表示兩個輸出端，R和S是兩個輸入端。

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• （1）工作原理
  
  

• 假設觸發器開始處于“0”狀態（），即導通截止。為了使觸發器由“0”狀態變到“1”狀態，只要使輸入端R保持“0”電平，而在S端加一個“1”“電平，因為電平時，導通，使輸出“0”電平，而使截止，截止后使Q變成“1”電平，反過來使導通。這樣，即使S輸入端上的信號“1”沒有了，觸發器還會保持裁止、導通的“1”狀態。因此輸入端S叫做置“1”輸入端，又做置位輸入端。
  
  

• 要使觸發器由“1”狀態恢復到“0”狀態，只要使S端保持“0”電平，而在B端上加一個“1”電平就行了。因為時，立刻導通，使Q由“1”變到“0”，這個“0”又輸入到管的柵極使截止，由于原來是截止的，所以由“0”變到“1”。觸發器由“1”狀態恢復到“0”狀態。因此R端叫做置“0”輸出端，又稱復位輸入端。
  
  

• 在R-S觸發器里，如果R和S兩個輸入端都保持“0”電平，則都截止，觸發器保持原來的狀態不變。如果R和S兩個輸入端都加上“1”電平，則都導通，兩個輸出端Q和都變成了“0”電平，使都截止，破壞了觸發器的正常狀態。當R和S兩個輸入端都由1”電平恢復到“0”電平后，觸發器的狀態就不能確定，不能肯定是處于“1”狀態，還是處于“0”狀態。因此，在R-S觸發器的工作過程里，B和S兩個輸入端上不能同時加“1”電平。下面是R-觸發器的邏輯圖及真值表。
  
  

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• 為了更好地描述R-S觸發器的工作過程，我們在圖3-4中畫出了它的輸入和輸出脈沖被形。從圖中可以看出，在S端加“1”電平，就可以使觸發器由“0”狀態變為“1”狀態，但如果觸發器已經處于“1”狀態，在端上加負脈沖就不會使觸發器再發生變化。若在R端加“1”電平，可以使觸發器由“1”狀態變為“0”狀態，如果觸發器已經處于“0”狀態，在R輸入端加“1”電平，也不會使觸發器再發生變化。從圖3-4看到，Q和的變化是同時發生的，這是理想的情況。在實際上，由于延遲效應，的變化比R、S的變化要滯后一些。
  
  

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  （2）設計考慮
  
  要使電路具有上述的兩個穩定狀態，必須正確地選擇電路中各個器件的參數和工作條件。否則，電路就不能保證有兩個穩定的工作狀態，不能實現觸發器的邏輯功能。下面介紹電路正常工作所需要的條件及設計思想。
  
  

• ①最高工作頻率
  為了使R-S觸發器穩定地工作，觸發脈沖的寬度必須大于，因此觸發器的最高頻率為：

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• 其中為一級門的平均傳輸延遲時間。（3-1）式給出了最高工作頻率與組成觸發器各個邏輯門延遲時間的關系。因此，在設計時，就可以根據工作頻率的要求，確定出各邏輯門的延遲時間，從而確定各邏輯門的器件參數。

  
  

• ②輸出電平

• 要使R-S觸發器能保持正常工作，輸出端Q（或）的“0”電平的絕對值必須小于門電路的關門電平，而“1”電平的絕對值必須大于門電路的開門電平，使門電路可靠地截止和充分導通，從而保證觸發器處于穩定的工作狀態。根據這個要求，可以確定門電路負載管和輸入管的跨導比。

  
  

• ③靜態功耗
  R-S觸發器是雙穩態電路，組成觸發器的兩個門，在工作時總有一個門導通，另一個門截止。因此計算觸發器的靜態功耗只考慮一個門即可。與倒相器的設計一樣，功耗和速度是矛盾的，它們與負載管的幾何尺寸有關。

  
  

• （3）基本R-S觸發器的特點
  
  從上面分析知道，它是由兩個“或非”門連結而成，電路對稱，結構簡單，是其它觸發器的基礎。它的特點是：
  
  

• ①具有兩個穩定的工作狀態，有“記憶”信息的功能。

• ②通過R、S輸入端分別加負脈沖，可以實現置“0”或置“1”的功能。但是，R-S觸發器狀態的存入無法從時間上得到控制，而在各單元之間必須協同動作的中大規模集成電路中，難以直接應用。況且R-S觸發器只有置“1”置“0”的功能，R、S端不能同時為“1”脈沖。所以必須對基本的R-S觸發器進行不斷的改進，使其具有完善的功能。

  
  

• 3、R-S-T燃發器
  
  

• 在計算機使用觸發器時，常常要用脈沖來控制觸發器翻轉的時間，這種控制觸發器翻轉時間的脈沖叫做時鐘脈沖，常用符號來表示。只有當時鐘脈沖輸入時，觸發器才會根據輸入端上的電平來決定它的狀態；而沒有時鐘脈沖輸入時，不管輸入端上的狀態如何變化，觸發器都不會改變原來的狀態。

  
  

• 圖3-5所示的R-S-T 觸發器（或稱同步觸發器），就是受時鐘脈沖控制的R-S觸發器，它與R-S觸發器的電路相比，多了兩個MOS管，它們的柵極都要受到時鐘脈沖控制。如果為不能導通，R、S不能起作用，觸發器不會改變原來的狀態。只有當為“1”電平時，才導通，此時R-S就和前述的觸發器一樣，完成觸發器的邏輯功能。
  
  

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  4、主從R-S觸發器
  
  上面所講的R-S觸發器結構雖然簡單，但它的性能還不完善，不能進行計數，也不能構成移位寄存器。為了使觸發器的性能更趨完善，就需要作進一步改進。為此，發展了一種主從結構形式的R-S觸發器，它能使外來信息在時鐘脈沖作用的時間內送入主觸發器進行暫存，然后在相反時鐘脈沖（稱為補時鐘脈沖）的時間內，將主觸發器存貯的信息轉移給從觸發器。

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• 圖3-6是由兩個獨立的R-S-T觸發器組成的主從觸發器，左邊的是主觸發器，右邊的是從觸發器。其聯結方法是將主觸發器的Q'及端分別與從觸發器的S'、R'端聯接。其中和分別為主從觸發器的預置位管，為預置位輸入端。當時，主從觸發器處于“0”狀態。和是分別受和脈沖控制的器件。由于和的控制，就使主、從兩觸發器隔離開來，消除了觸發器在一個時鐘脈沖作用期間，可能出現多次翻轉的空翻現象。

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• 下面來分析主從R-S觸發器的功能。當時鐘脈沖CP由“0”變到“1”時，主觸發器的狀態變化與上面講的單個R-S觸發器相同。此時由于由“1”變到“0”，由導通變截止，所以從觸發器的狀態不變。當由“1”變到“0”時，管截止，這時主觸發器威將原來的信號貯存下來，同時由于從“0”變到“1”，導通，主觸發器的狀態就可轉移給從觸發器。
  
  

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  在設計電路時，一般主觸發器各器件的W/L都要比對應的從觸發器各器件的W/工小些，因為主觸發器只要驅動從觸發器，負載不大。然面從觸發器的輸出一般要接較大的負載，所以從觸發器各器件的W/L就要增大。當輸出端接的負載很大時，就有必要在輸出端再增加一級驅動器，否則從觸發器的晶片占有面積會太大。

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