用CMOS传输门和CMOS非门设计D触发器.docx
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用CMOS传输门和CMOS非门设计D触发器
用CMOS传输门和CMOS非门设计
边沿D触发器
姓名周路
所在学院电子信息工程
专业班级通信1002
学号10211061
指导教师侯建军
日期__2012.12月_____
目录
第一章电路组成结构1
第二章电路工作原理2
第三章特征方程，特征表，激励表，状态图2
第四章激励信号D的保持时间和时钟CP的最大频率3
第五章设计的D触发器转换成JK触发器和T触发器4
5.1设计的D触发器转换成JK触发器4
5.2D触发器转换成T触发器4
第六章CMOSD触发器CD4013和TTLD触发器74LS74区别5
第七章CMOSD触发器的应用——CC4013触摸开关7
第八章感想以及总结8
参考文献9
摘要：
本文用CMOS传输门和CMOS非门设计边沿D触发器。
说明电路组成结构；阐述电路工作原理；写出特征方程，画出特征表，激励表与状态图；计算出激励信号D的保持时间和时钟CP的最大频率；将设计的D触发器转换成JK触发器和T触发器。
比较C4013和74LS74的区别，简述CD4013的一个应用。
最后阐述自己的感想和对未来电子技术发展的一些展望设想。
关键词：
CMOS非门，CMOS传输门，TTL与CMOS，展望未来。
一、电路组成结构
传统的边沿D触发器电路已为大家熟知，在此基础上，用CMOS传输门（TG）和CMOS非门（G）设计；由此该电路的整体构造如下图所示.
图1D触发器原理图
图2仿真
CMOS传输门和非门构成的D触发器,非门G1、G2和传输门TG1、TG2组成了主触发器；非门G3、G4和传输门TG3、TG4组成了从触发器。
TG1和TG3分别为主触发器和从触发器的输入控制门。
根据CMOS传输门的工作原理和图中控制信号的极性标注可知,当传输门TG1、TG4导通时,TG2、TG3截止;反之,当TG1、TG4截止时,TG2、TG3导通
二、电路工作原理
1.CP=0,TG1导通,TG2截止,D端输入信号送人主触发器中,G1=
，G2=D此时触发器尚未形成反馈连接,不能自行保持。
Q1、Q2跟随器形成反馈连接,维持原状态不变,而且它与主触发器的联系被TG3切断。
2.当CP的上升沿到达（即CP跳变为1）时,TG1截止,TG2导通,切断了D信号的输入,G1输入端电压不会立即消失,于是G1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=G4=D，
=G3=
。
3.在CP=1期间,Q=G3=D的状态一直不会改变。
4.直到CP下降沿到达时（即CP跳变为0）,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下降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,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。
若将四个传输门的控制信号CP和
极性都换成相反的状态,则CP下降沿为有效沿。
三、特征方程，特征表，激励表与状态图
特征方程：
Qn+1=D
图3特征表
图4激励表
状态图：
图5状态图
四、激励信号D的保持时间和时钟CP的最大频率
图6原理图
这个CMOSD触发器是上升沿触发器，根据CMOS管特性可得，上图中所示四个传输门具有传输延迟t1，五个非门也具有延迟t2，传输门控制端在导通和截止转换时会存在延迟t3。
但是其实传输门的的延时很小只有纳秒，而非门却有几十纳秒因此，t1t3几乎可以忽略不计。
所以，输入信号D只有在CP跳变之前的时间里准备好,触发器才能将数据锁存到Q输出端口，因此建立时间等于t1+t2。
在CP跳变为0之后的一段时间内，D信号不能发生变化，也就是所说的要保证信号的保持时间，大小应该是传输门的截止导通时间t3。
因此D的建立时间应该为
（非门延时）。
CP时钟周期，低电平时间应该D的建立时间+两个非门延时（传输门忽略不计），才能保证D顺利到达G1和G2之间为
。
高电平时间应该为从触发器的两个非门延时
。
（传输门忽略不计）
因此如果时钟周期是占空比为50%的方波，那么最大频率应该为
；若为占空比任意的方波，则最大频率应该为
。
五、设计的D触发器转换成JK触发器和T触发器
5.1D触发器转换成JK触发器
图7D触发器转JK触发器
J触发器特征方程：
D触发器特征方程：
比较得：
若用与非门实现，则：
5.2JK触发器转换成T触发器
T触发器特征方程：
J触发器特征方程：
只要将JK触发器的JK端相连作T端即可实现
六、CMOSD触发器和TTLD触发器区别
常用的TTL型双D触发器74LS74引脚功能如图8所示，CMOS型双D触发器CC4013引脚功能如图9所示。
图874LS74引脚功能
图9CD4013引脚功能
电流/电压控制
74LS74………………………………………………电流控制器件
CD4013………………………………………………电压控制器件
传输延时
74LS74……………………………………………………5-10ns
CD4013……………………………………………………25-50ns
功耗
74LS74………………………………………………………20mW
CD4013………………………………………与输入脉冲频率有关
电源电压
74LS74…………………………………………………5V
CD4013…………………………………………3V～15V
输入电压
74LS74…………………………………………2V以上（高）
0.8以下（低）
CD4013…………………………………………0V～VDD
工作温度范围
74LS74……………………………………………~70℃
CD4013…………………………………………－40℃～85℃
极限值
电源电压
74LS74…………………………………………………7V
CD4013…………………………………………………18V
输入电压
74LS74……………………………………………………7V
CD4013…………………………………………VDD+0.5V
储存稳定
74LS74………………………………………－65℃～150℃
CD4013………………………………………－65℃～150℃
输出电压
74LS74……………………………………………………7V
CD4013……………………………………………VDD+0.5V
我们可以看到，74LS74输出高电平2.7V,输出低电平<0.4V。
在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。
最小输入高电平和低电平：
输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。
C4013逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。
而且具有很宽的噪声容限。
因此C4013的抗干扰能力很强。
再看工作环境74LS74的工作环境要求比CD4013苛刻，只能在0~70℃，而CD4013却可以工作在－40℃～85℃的环境下，在寒带作业的工作可以交给CD4013完成。
对于要求高速低延时的应该用74LS74，只有5～10ns，对于功耗要求高的用CD4013。
七、CMOSD触发器的应用——CD4013触摸开关
M为触摸电极片，手指摸一下M，使人体泄漏的交流电在R4上的压降，其正半周信号进入IC1的第3脚即单稳态电路的CP端，使单稳态电路反转进入瞬时，其输出端Q即1脚由原来的低电位跳变为高电位，此高电位经R1向C2充电，使4脚即R1端的电位上升，当上升到复位电位时，单稳态电路复位，1脚恢复低电位。
所以每触摸一次电极片M，1脚就输出一个固定宽度的正脉波。
此正脉波将直接加到11脚即双稳态电路的CP端，使双稳态电路反转一次，其输出端Q即13脚电位就改变一次。
当13脚为高电位时，Q1的基极透过R2获得正向电流而开通，使继电器动作，进而以它的接点来做控制。
由此可见，每触摸一次电极片M，就能实现继电器“开”或“关”的动作。
图10CD4013触摸开关电路原理图
八、总结以及感想
总结：
CMOSD触发器的原理很简单，是由两个CMOS反相器和CMOS传输门构成的触发器，组成的。
用CP和
，控制传输门的开关，原理与TTL不同，但实际思路与TTL一样特征表，激励表，状态图，特征方程与D触发器一样，延时和非门延时有关，D的保持时间为
（非门延时时间，传输门忽略不计），最大周期为
占空比50%的方波，或
TTL和CMOS，在电平，原理，使用方法都有异同，二者各有好坏，对立统一。
感想：
通过这次研究性学习，重新温习了很多以前渐渐被淡化的知识，让我充分理解了，实践是检验真理的唯一途径。
有时候课本上不太理解的东西，光靠看书效果并不理想，但是只要实践、仿真、学习，就可以理解明白。
这次研究性学习提高了我独立自主思考，合作同学解决问题的能力，培养了我发散思维看实际生活中的“数电”，充分学习学以致用的思想。
参考文献
【1】XX文库.CD4013应用.
【2】侯建军.数字电子技术基础电子教案[M].高等教育出版社，2003
【3】侯建军.数字电子技术基础[M].高等教育出版社，2007，12
【4】74LS74芯片手册.国家半导体公司.
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