CMOS觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與工作原理

CMOS D觸發(fā)器足主-從結(jié)構(gòu)形式的一種邊沿觸發(fā)器,CMOS T型觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、計數(shù)單元、移位單元和各種時序電路都由其組成,因此儀以CMOS D觸發(fā)器為例進(jìn)行說明。

圖1是用CMOS傳輸門和反相器構(gòu)成的D觸發(fā)器,反相器G1、G2和傳輸門TG1、TG2組成了主觸發(fā)器,反相器G3、G4和傳輸門TG3、TG4組成了從觸發(fā)器。TG1和TG3分別為主觸發(fā)器和從觸發(fā)器的輸入控制門。反相器G5、G6對時鐘輸入信號CP進(jìn)行反相及緩沖,其輸出CP和CP′作為傳輸門的控制信號。根據(jù)CMOS傳輸門的工作原理和圖中控制信號的極性標(biāo)注可知,當(dāng)傳輸門TG1、TG4導(dǎo)通時,TG2、TG3截止;反之,當(dāng)TG1、TG4截止時,TG2、TG3導(dǎo)通。


當(dāng)CP′=0,CP′=1時,TG1導(dǎo)通,TG2截止,D端輸入信號送人主觸發(fā)器中,使Q′=D,Q′=D,但這時主觸發(fā)器尚未形成反饋連接,不能自行保持。Q′、Q′跟隨D端的狀態(tài)變化;同時,由于TG3截止,TG4導(dǎo)通,所以從觸發(fā)器形成反饋連接,維持原狀態(tài)不變,而且它與主觸發(fā)器的聯(lián)系被TG3切斷。

當(dāng)CP′的上升沿到達(dá)(即CP′跳變?yōu)?,CP′下降為0)時,TG1截止,TG2導(dǎo)通,切斷了D信號的輸入,由于G1的輸入電容存儲效應(yīng),G1輸入端電壓不會立即消失,于是Q′、Q′在TG1截止前的狀態(tài)被保存下來;同時由于TG3導(dǎo)通、TG4截止,主觸發(fā)器的狀態(tài)通過TG3和G3送到了輸出端,使Q=Q′=D(CP上升沿到達(dá)時D的狀態(tài)),而Q=Q′=D。
在CP′=1,CP′=0期間,Q=Q′=D,Q=Q′=D的狀態(tài)一直不會改變,直到CP′下降沿到達(dá)時(即CP′跳變?yōu)?,CP′跳變?yōu)?),TG2、TG3又截止,TG1、TG4又導(dǎo)通,主觸發(fā)器又開始接收D端新數(shù)據(jù),從觸發(fā)器維持已轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)。
可見,這種觸發(fā)器的動作特點是輸出端的狀態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生在CP′的上升沿,而且觸發(fā)器所保持的狀態(tài)僅僅取決于CP′上升沿到達(dá)時的輸入狀態(tài)。正因為觸發(fā)器輸出端狀態(tài)的轉(zhuǎn)換發(fā)生在CP′的上升沿(即CP的上升沿),所以這是一個CP上升沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器,CP上升沿為有效觸發(fā)沿,或稱CP上升沿為有效沿(下降沿為無效沿)。若將四個傳輸門的控制信號CP′和CP′極性都換成相反的狀態(tài),則CP下降沿為有效沿,而上升沿為無效沿。下面以CP上升沿為有效觸發(fā)沿進(jìn)行分析。