4.1 Bistable Element 第四章触发器与存储器 双稳态元件 锁存器与触发器 单稳态与无稳态电路 时序电路分析 ■反馈电路 A2,A1:环路输入僧号 计数器与移位寄存器 开关控制信号,控制环路闭合 随机存储器 G2,G1环路输出信号 反愦电路 反愦电路 G 逻辑电路 G=G 正反馈,实现信号的存储 ■G=/G 负反馈,电路状态改变,没有稳态 反环路分析 GG Bistable Element ■外输入变化,稳态 转移 内部变化:联变 外部变化:触发 双稳态、触发器 1100-@1 b Bistale Element b Trigger ■反馈方程 ■开始时,外输入A2A1=11 若电路处于稳态S1=01,A2A1=11+01÷11 环路聊毒 新状]G=4 若电路处于稳态S1=10,A2A1=11÷10÷11 受拉毒
1 1 第四章 触发器与存储器 z 单稳态与无稳态电路 z 锁存器与触发器 z 随机存储器 z 时序电路分析 z 计数器与移位寄存器 z 双稳态元件 2 4.1 Bistable Element 4.1 Bistable Element 反馈电路 A2，A1：环路输入信号 ¾开关控制信号，控制环路闭合 G2，G1：环路输出信号 A2 A1 G2 G1 3 G=G’ 正反馈，实现信号的存储 G=/G’ 负反馈，电路状态改变，没有稳态 反馈电路 逻辑电路 G’ G 4 反馈电路 A2 A1 G2 G1 A2 A1 G2 G1 5 A2 A1 反馈环路分析 反馈方程 11 11 11 11 11 11 10 10 00 01 11 10 00 01 11 10 G G2 1 ′ ′ A2 1 A 11 01 00 10 11 01 01 11 G AG 2 21 = ⋅ ′ G AG 1 12 = ⋅ ′ 原状态 新状态 受控稳态 环路稳态 G G2 1 G2 ′ G1 ′ G2 6 Bistable Element Bistable Element 开始时，外输入A2A1=11 若电路处于稳态S1=01 , A2A1=11 Æ 01 若电路处于稳态S1=10 , A2A1=11 Æ 10 11 11 11 11 11 11 10 10 00 01 11 10 00 01 11 10 G G2 1 ′ ′ A2 1 A 11 01 00 10 11 01 01 11 外输入变化，稳态 转移 内部变化：跃变 外部变化：触发 双稳态、触发器 Bistale Element Trigger Æ 11 Æ 11 G G2 1
蚁稳态元件 Analog Analysis 011110 ■双稳态电路 ■以cMos电路电压传输特性为例 G2G1经常用Q和Q代餐 除双稳态”01”和”10”外 ■CMoS闻值电平25V左右 还可能进入一个不可预 知的状态称为亚稳态 o. 10 Metastable),即算3个 平衡点停时间理论上 A2A1=11 无限期 初态即使非稳态,通过竟争,最进入稳态01或10 究竟转移到哪个德态,具有不确定性,不完全由外输 入决定 LOW undateD HIG 亚稳志 Metastable state 稳态 Stable state ■假设A2A1-=11,电路退化为 a Circuit converges to either one of the ■ Assume stable states 0.2V pure CMOS thresholds 2.5V 5.0V 2.5V 2.5V 蚁稳态元件分析A11 馭稳态元件 ■反馈方程 G,=A, Gi 原状态 新状态 A G ■A2A1=0011 进入稳态G2G=01或10 除双稳态外,还可能进入亚稳态,即算3个平衡点 停窗时间理论上无限期
2 7 双稳态元件 A2A1=11 初态即使非稳态, 通过竞争, 最终进入稳态01或10 究竟转移到哪个稳态, 具有不确定性，不完全由外输 入决定 11 11 11 11 11 11 10 10 00 01 11 10 00 01 11 10 G G2 1 ′ ′ A2 1 A 11 01 00 10 11 01 01 11 双稳态电路 G2G1经常用Q和/Q代替 除双稳态”01”和”10”外; 还可能进入一个不可预 知的状态, 称为亚稳态 (Metastable), 即第3个 平衡点, 停留时间理论上 无限期 8 以CMOS电路电压传输特性为例 CMOS阈值电平 2.5 V左右 Analog Analysis 9 假设A2A1=11, 电路退化为 Assume pure CMOS thresholds 5V power supply 2.5 V 2.5 V 2.5 V 2.5 V 亚稳态Metastable state G1 G2 10 Circuit converges to either one of the stable states 2.5 V 2.5 V 2.5 V 3.0 V 3.0 V 0.2 V 2.5 V49 V 0.2 V 5.0 V 5.0 V 0.0 V 稳态Stable state 11 双稳态元件分析A11 反馈方程 G AG 2 21 = ⋅ ′ G AG 1 12 = ⋅ ′ A2 A1 G2 ′ G1 ′ G2 原状态 新状态 12 双稳态元件 A2A1= 00 Æ 11 进入稳态G2G1= 01 或 10 除双稳态外，还可能进入亚稳态，即第3个平衡点。 停留时间理论上无限期 11 11 11 11 11 11 10 10 00 01 11 10 00 01 11 10 G G2 1 ′ ′ A2 1 A 11 01 00 10 11 01 01 11 MS
亚定性 Metastability11 Seesaw Behaviorl ■双稳态电路的内在特性(inherent 身 >1 metastable point stable =T(T(=2) a山() stable a 1/ Another look at metastability Bistable Element ■它是基本时序单元 ■任何时序电路都存在 亚稳态现象 01 开机:存在亚稳态 1510000M,工作:外部激励必须清 足最短时间要求才能 a Kick the ball form one side to the other Apply a strong force I Exist a minimum pulse width(specified) b Apply a weak force b Apply a wishy-washy force Bistable Element Bistable Element a The simplest sequential circuit a The simplest sequential circuit ■ Two states ■ Two states One state variable, Q=0 b One state variable, Q=1 HIGH I LOW LOW Q L
3 13 双稳态电路的内在特性(inherent) 2 stable points 1 metastable point 亚稳定性MetastabilityA11 V TV out in 1 1 = ( ) Vout1 V=inV1out 2 ( ( )) ( ) ( ) 2 1 in out TTV TTV = = =Vin2 V TV out in 2 2 = ( ) 15 Seesaw Behavior10 G2 G1 Q /Q L L H A2 A1 H H L 16 Another look at metastability Kick the ball form one side to the other Apply a strong force Apply a weak force Apply a wishy-washy force 17 Bistable Element Bistable Element Exist a minimum pulse width (specified) 11 11 11 11 11 11 10 10 00 01 11 10 00 01 11 10 G G2 1 ′ ′ A2 1 A 11 01 00 10 11 01 01 11 G G2 1 它是基本时序单元 任何时序电路都存在 亚稳态现象 开机：存在亚稳态 工作：外部激励必须满 足最短时间要求, 才能 生效, 否则… MS 18 The simplest sequential circuit Two states One state variable, Q=0 HIGH LOW LOW HIGH Bistable Element Bistable Element 19 The simplest sequential circuit Two states One state variable, Q=1 LOW HIGH HIGH LOW Bistable Element Bistable Element
RS帧存暴与非型双稳态电路 42锁存暴与触发 ■锁存器(atch) R1100 ■触发器(Flip-Flop) 10 A 0 ■双稳态电路,QQ=01或10 置位和复位输入常为高电平,两输出Q和/Q互补 ■两输入均为低电平,禁止态! RS帧存暴:与非型方食 Rs锁存暴:或非门守食 sRQ Q 001 11Q 0|0 10X|1 Q 010 001 Q01|x0 或非型双稳态电路 ■电路方程Q=RSQ+S ■约束方程R.S=0 合称激励方程 ■两输入端常低,两输出端一般相反 ■两输入端均高,禁止态(电路状态无定义) RS Latch RS Latch ■(a) Normal inputs 原状态 011110 ■(b)s& R asserts QN simultaneously (a) TA minimum pulse width(specified) Apply a minimum width pulse tpwf(min or longer Apply a very short pulse Apply a pulse just under the minimum width 不可预知5
4 20 S R RS锁存器 双稳态电路，/QQ = 01或10 置位和复位输入常为高电平,两输出Q和/Q互补 两输入均为低电平，禁止态! Q Q S R Q Q 1 1 Q’ Q’ 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 G2 G1 A2 A1 与非型双稳态电路 21 4.2 锁存器与触发器 锁存器(Latch) 触发器(Flip-Flop) 23 RS锁存器：与非型方案 电路方程 Q Q S R Q = R⋅ S ⋅Q′ + S 约束方程 R⋅ S = 0 合称激励方程 R S Q Q S R Q Q 1 1 Q’ Q’ 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 24 RS锁存器：或非门方案 或非型双稳态电路 两输入端常低，两输出端一般相反 两输入端均高，禁止态(电路状态无定义) S Q R Q S R Q Q L L Q Q H L H L L H L H H H L L S R Q Q L L Q Q H L H L L H L H H H ? ? S R Q Q 0 0 0 0 1 0 X 1 0 1 X 0 1 1 X 0 n n＋1 0 0 1 1 25 (a) Normal inputs (b) S & R asserts simultaneously RS Latch 状态 不可预知 S Q R Q 26 RS Latch A minimum pulse width (specified) Apply a minimum width pulse tpw(min) or longer Apply a very short pulse Apply a pulse just under the minimum width 11 11 11 11 11 11 10 10 00 01 11 10 00 01 11 10 原状态 外输入 11 01 00 10 11 01 01 11 新状态 MS
RS Latch: Symbols RS Latch用遼:开美抖呦消除暴 几 A ■开关抖动可以形成另一种毛刺 ■经典的开关抖动消除电路 Propagation tUes 亚稳态 Figure 7-8 Timing parameters for an S-R latch 具有使能端的RS锁存器 D Latch R 「)+1 ■S- R Latch with Enable,带使能端的RS锁存 ■数据经非门产生一对互补信号,D型锁存器 器(RS闩锁) ■受使能信号控制,CP为写入条件或指令 墨电干触发 建立-保持 D唢存暴 D Latch的定时特性时间窗 窗口内D输入改变 ■ D Latch ■ D Latch: Transparent Latch可能导致亚稳态! CP为低时数据保持不变,时钟下跳沿锁存数据 建立时间(Set- up time) CP为高时,输出随输入变化 保持时间( Hold time) 透明锁存器( ransparent Latch) 需满足1tn和h的要求 5
5 27 RS Latch: Symbols RS Latch: Symbols Propagation delay 可能进入 亚稳态 28 RS Latch用途：开关抖动消除器 开关抖动可以形成另一种毛刺 经典的开关抖动消除电路 +5V +5V +5V A B C A B C 29 具有使能端的RS锁存器 S-R Latch with Enable, 带使能端的RS锁存 器(RS闩锁) 受使能信号控制，CP为写入条件或指令 R Q S Q R S CP 30 D Latch 数据经非门产生一对互补信号，D型锁存器 (D Latch) 电平触发器 Q R Q S D CP Q Q C1 1D C Q D Q 31 D锁存器 D Latch CP为低时数据保持不变，时钟下跳沿锁存数据 CP为高时，输出随输入变化 透明锁存器(Transparent Latch) ，电平触发器 D Q Q CP CP D 32 D Latch的定时特性 D Latch： Transparent Latch 建立时间(Set-up time) 保持时间(Hold time) 需满足tsetup和thold的要求 D Q Q C 建立-保持 时间窗 窗口内D输入改变 可能导致亚稳态!