数电研讨用CMOS传输门和CMOS非门设计边沿D触发器.docx
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数电研讨用CMOS传输门和CMOS非门设计边沿D触发器
数字电子技术研究性学习报告
用CMOS传输门和CMOS非门设计边沿D触发器
第一章基本器件结构图以及功能
1.1CMOS传输门
图1
原理：
所谓传输门（TG）就是一种传输模拟信号的模拟开关。
CMOS传输门（如图1）由一个P沟道和一个N沟道增强型MOS管并联而成，如上图所示。
设它们的开启电压|VT|=2V且输入模拟信号的变化范围为0V到+5V。
为使衬底与漏源极之间的PN结任何时刻都不致正偏，故T2的衬底接+5V电压，而T1的衬底接地。
传输门的工作情况如下：
当C端接低电压0V时T1的栅压即为0V，vI取0V到+5V范围内的任意值时，TN均不导通。
同时,TP的栅压为+5V，TP亦不导通。
可见，当C端接低电压时，开关是断开的。
为使开关接通，可将C端接高电压+5V。
此时T1的栅压为+5V，vI在0V到+3V的范围内，TN导通。
同时T2的棚压为-5V，vI在2V到+5V的范围内T2将导通。
由上分析可知，当vI＜+3V时，仅有T1导通，而当vI＞+3V时，仅有T2导通当vI在2V到+3V的范围内，T1和T2两管均导通。
进一步分析还可看到，一管导通的程度愈深，另一管的导通程度则相应地减小。
换句话说，当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。
由于两管系并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。
这是CMOS传输出门的优点。
1.2CMOS反相器
1.2.1电压传输特性和电流传输特性
CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。
（如图2）
图2
工作区Ⅰ：
由于输入管截止，故vO=VDD，处于稳定关态。
工作区Ⅲ：
PMOS和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，vI值等于阈值电压Vth。
工作区Ⅴ：
负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vO≈0V，处于稳定的开态。
CMOS反相器的电流传输特性曲线如图3，只在工作区Ⅲ时，由于负载管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。
其余情况下，电流都极小。
图3
1.2.2CMOS反相器特点
静态功耗极低。
在稳定时，CMOS反相器工作在工作区Ⅰ和工作区Ⅴ，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。
抗干扰能力较强。
由于其阈值电平近似为0.5VDD，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。
电源利用率高。
VOH=VDD，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围，一般为+3～+18V。
输入阻抗高，带负载能力强。
第二章设计方案一
2.1设计思路
最初拿到这个题，感觉有些难度，相比直接由CMOS传输门和S反相器设计出D触发器，我感觉由以上两种器件设计出与非门较简单。
设计出的与非门如图4。
2.2性能评估
1.构成较复杂：
由于一个两输入的与非门就需要8个传输门以及10个非门，若需要三输入的与非门则需要更多的传输门以及与非门，所以电路构成复杂。
图4
2．电路利用率较低：
当一条支路通路时，其他之
路处于闲置状态，所以电路的利用率低。
第三章设计方案二
3.1电路结构图
图5
3.2工作原理
如图5。
当cp低电平时，TG1导通、TG2截止，D信号经过传输门输入，_Q=_D、Q=D，电路输出Q跟随D信号变化。
当cp上升沿时，TG1截止、TG2导通，D信号不能传输，D信号的改变对输出不会产生影响，输出端的两个非门首尾相连，保持上升沿时刻的状态不变。
。
此方案由手动开启和关闭传输门来体现D触发器的特性。
波形如图6。
由图6可知，若CP上升前，即D触发器关闭前，输入D发生突变，输出会有影响。
3.3性能评估
1．元件数量少：
整个电路只需要5个元件，包括两个传输门以及三个非门。
2．传输时间短：
信号经过电路时，只需要通过三个非门和一个传输门即可输出。
传输时间大概为40ns。
3．功耗小：
组成电路的元器件都为CMOS元器件，功耗小。
4．人性化：
可人为手动控制。
若输入了错误信号，则可在时钟上升沿到来前进行改正。
5．抗干扰能力不强：
在时钟上升沿到来之前，传输门一直处于开启状态。
如果在时钟上升沿到来前，信号发生了突变，则导致输出了错误的信号，所以抗干扰能力有待提高。
图6
第四章设计方案三
4.1电路结构图
图7
4.2工作原理
如图7。
当CP的上升沿到达时,TG1截止,TG2导通,切断了D信号的输入,由于G1的输入电容存储效应,G1输入端电压不会立即消失,于是Q、-Q在TG1截止前的状态被保存下来;同时由于TG3导通、TG4截止,主触发器的状态通过TG3和G3送到了输出端,使Q=D（CP上升沿到达时D的状态）,而-Q=-D。
在CP高电平期间,Q=D,-Q=-D的状态一直不会改变,直到CP下降沿到达时,TG2、TG3又截止,TG1、TG4又导通,主触发器又开始接收D端新数据,从触发器维持已转换后的状态。
可见,这种触发器的动作特点是输出端的状态转换发生在CP的上升沿,而且触发器所保持的状态仅仅取决于CP上升沿到达时的输入状态。
正因为触发器输出端状态的转换发生在CP的上升沿（即CP的上升沿）,所以这是一个CP上升沿触发的边沿触发器,CP上升沿为有效触发沿,或称CP上升沿为有效沿（下降沿为无效沿）。
4.3性能评估
1.传输时间较短：
信号经过电路时，需要通过三个非门和三个传输门即可输出。
传输时间大概为60ns。
2.功耗较小：
组成电路的元器件都为CMOS元器件，功耗小。
3.抗干扰能力强：
传输门只于上升沿到来前后几十纳秒内处于开启状态，其他时间都处于关闭状态，此时信号无法输入。
因此只要保证信号在上升沿到来前后20ns内保持不变即可将信号准确地传输。
所以抗干扰能力强。
4.电子元器件较多，成本略高：
一个触发器需要9个原件，其中包括4个传输门以及5个非门。
所以成本略高。
4.4方案对比
方案二
方案三
元件数量少，成本较低
电路较复杂，成本较高
传输时间短
传输时间较短
功耗小
功耗较小
抗干扰能力不强
抗干扰能力强
可人为手动控制，输入错误后可以改正
表4-1
通过两种方案（表4-1）的对比可以根据其性能以及自身需求对此两种方案进行合理选择。
第五章激励信号D的保持时间和时钟CP的最大频率
5.1分析与结论
假设，信号通过传输门及反相器的时间为t1。
D信号的保持时间需大于3t1，才能保证D信号能够存储下来。
如果CP下降沿后，D信号才被锁存，在此期间如果D信号有突变，将影响输出结果，所以电路需保证D信号存储后CP再变为低电平，也就是说CP高电平的时间需大于3t1，设CP周期为TCP，则推出的解释即为CP需满足0.5TCP大于3t1，即fCP小于1/6t1。
第六章写出特征方程，画出特征表，激励表与状态图
6.1特征方程
6.2特征表（如表5-1）
CP
D
Qn+1
X
X
Qn
0
0
1
1
表5-1特征表
6.3激励表（如表5-2）
Qn
Qn+1
D
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
表5-2激励表
6.4状态转换图（如图8）
图8
第七章设计拓展
7.1思想启发
本次研究性学习主要是使用CMOS传输门和CMOS反相器设计D触发器。
但为了加深我对电子元器件的理解并充分锻炼我的设计能力，我想到用CMOS传输门和CMOS反相器设计一个抢答器。
7.2功能简述
此电路中有N个输入和N个输出，每个人对应各自的一个输出，每个输出端各连接一个灯。
先按下的人会使其他人的抢答器失效，同时该人的信号输出，灯亮起，表示该人抢答成功。
7.3电路结构
7.3.1由CMOS传输门和CMOS反相器构成的异或门
工作原理：
如图9，此与非门由三个反相器和一个传输门构成。
A=B=0：
TG断开，则C=—B=1，F=—C=0；A=B=1：
TG导通，C=B=1，反相器2的两只MOS管都截止，输出F=0；A=1，B=0：
TG导通，F=1；A=0，B=1：
TG断开，F=1。
图9
7.3.2抢答器结构图如图10
图10
7.3.3工作原理
如图11，当A先闭合开关时，高电平通过传输门A1输出，LED1亮起。
图11
如图12，与此同时使异或门U6的两个输入都为1，异或门U6输出0，使得传输门A2关闭，B的信号无法传递到输出灯LED2。
反之亦然。
图12
7.4电路的改进
7.4.1改进的原因
由原电路可知，如果有N个输入则有N个输出，每个输出都回对应一个灯，这样一来，如果输入很多，则需要更多的灯，导致成本变高，而且电路多变，不利于集成量产。
而如果最后由数码管显示出数字，则可降低成本。
改进后的电路图如图13。
图13
第八章将设计的D触发器转换成JK触发器和T触发器
8.1D触发器转换成JK触发器（如图14）
D触发器的状态方程是：
Qn+1=D；
jk触发器的状态方程是：
Qn+1=J—Qn+—KQn。
让两式相等
可得：
D=J—Qn+—KQn。
用门电路实现上述函数即可转换成为JK触发器
图14
8.2D触发器转成T触发器（如图15）
图15
第九章收获与感想
本次数电研究性学习，大大加深了我对触发器的理解，也充分地锻炼了我的设计能力，我感到这次研讨对我有意义深远的作用，因此我做出了如下总结。
1.通过本次研究性学习，让我明白对于一个课题来说，什么叫研究，通过什么研究，怎样研究。
不仅要表达出原理，画出电路图，进行仿真，而且还要讨论其性能。
除此以外，还要和其他方案进行横向比较，在不同需求下选择不同方案。
2.认识到理论知识与实际相结合的重要性。
在课本上学习内容远远不够，当我亲手去设计一些东西的时候才感觉到理论与实践的差异。
这让我明白只有把理论与实践相结合才能学好这门课。
3.熟练了对于MULTISM软件的使用。
刚刚使用这个软件时，大部分元件需要上网查找资料才能在软件中找到。
本次研究性学习需要多次使用此软件进行操作。
我从磕磕绊绊地查找元器件到在短时间内就能够制作出完整的电路。
这对于我来说是一个飞跃。
4.注重哲学思想（从局部到整体，再从整体到局部，辨证思想）的运用。
哲学是知识中的知识，首先应用局部到整体的思想，分析构成D触发器的门电路:
传输门和与非门，再从整体到局部分析其性能。
紧接着用辩证的思想对74HC74和74LS74进行分析，分析其优缺点。
坦白地说，由于这学期学生工作比较繁重，我对于本学科学的并不是很透彻，所以最初做出来的报告不太详尽，自己的东西也比较少，再加上格式的问题，给老师看了几分钟就被打了回来，我深表惭愧。
但我没有灰心，而是回去认真阅读课本，加深了解后进行设计，不仅如此，我还通过自己的反复琢磨进行了拓展，设计出了由CMOS传输门和CMOS反相器构成的抢答器，希望没有辜负老师的期望，也对得起这个优秀的专业，以及作为一名交大学子的本分。
可以说，如果没有老师的高标准严要求，我无法做出这样完整的报告，也不可能对本学科进行如此深入地研究。
我也深知，老师的批评意味着对我还有希望，所以我更要尽力去证明自己。
最后我想感谢老师的耐心教导，让我懂得认真能把事情多对，用心能把事情做好。
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