Przerzutniki

1
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
Przerzutniki – spełniają rolę elementów pamięciowych:
-przy pewnej kombinacji stanów na pewnych wejściach,
niezależnie od stanów innych wejść, stany wyjściowe
Q oraz Q nie ulegają zmianie;
-przy innej – określonej – kombinacji stanów na
pewnych wejściach możliwa jest kontrolowana modyfikacja
stanów wyjściowych Q oraz Q.
przerzutniki - wstep
2
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
Przerzutnik RS
Schemat zastępczy z bramkami NOR
S
Q
Q
R
Symbol
Tabela stanów
S
R
Q
Q
0
0
Q
Q
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
niezmieniony
S
R
Q
Q
niedozwolony
1
3
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
Przerzutnik RS CMOS – standard
Standardowy przerzutnik RS CMOS - układ
4
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
Przerzutnik RS CMOS – standard – 2 bramki NOR
We2
Wy
We1
Standardowy przerzutnik RS CMOS - układ
Prawa połówka – bramka NOR
2
5
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
Przerzutnik RS CMOS – standard, rozkład elementów
Q
Q
Układ
Rozkład elementów. Tranzystory o minimalnych
długościach i szerokościach kanałów
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
6
Przerzutnik RS CMOS – oszczędzający miejsce
Standardowy przerzutnik
RS CMOS
Przerzutnik RS CMOS
– z mniejszą ilością
tranzystorów
3
7
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
Przerzutnik RS CMOS - zapis 1 (Set)
Przerzutnik RS CMOS
– z mniejszą ilością tranzystorów
-Załóżmy stan początkowy Q = 0 (niski), czyli Q = 1.
-Załóżmy stan początkowy S = 0 (niski) oraz R = 0.
Początkowo (zaznaczono tylko
tranzystory przewodzące):
0
1
niezmienione
0
0
niedozwolone
Tabela stanów
Stan początkowy Q = 0 (niski) oraz Q = 1 - podtrzymywany
Przerzutnik RS CMOS - zapis 1 (Set) cd.
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
8
Przerzutnik RS CMOS - zapis 1 (Set)
Przerzutnik RS CMOS
– z mniejszą ilością tranzystorów
-Załóżmy stan początkowy Q = 0 (niski), czyli Q = 1.
-Załóżmy stan początkowy S = 0 (niski) oraz R = 0.
-Niech S zmieni się z 0 do 1 (czyli do wysokiego).
Początkowo (zaznaczono tylko
tranzystory przewodzące):
z 0 do 1
z 1 do 0
niezmienione
0
niedozwolone
Tabela stanów
z 0 do 1
Nowy stan Q = 1 (niski) oraz Q = 0 - podtrzymywany
4
Przerzutnik RS CMOS - zapis 0 (Reset)
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
9
Przerzutnik RS CMOS - zapis 0 (Reset)
Przerzutnik RS CMOS
– z mniejszą ilością tranzystorów
-Z symetrii układu – przyłożenie S = 0 oraz R = 1
powoduje zapis samopodtrzymującego się
stanu Q = 0 (niski) oraz Q = 1 (operacja „Reset”).
-Należy unikać kombinacji S = 1 oraz R = 1!
-Przyłożenie S = 0 oraz R = 0 powoduje
samopodtrzymywanie się poprzedniego
stanu Q oraz Q.
niezmienione
niedozwolone
Tabela stanów
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
10
Przerzutnik RS CMOS – złożoność a szybkość i pobór mocy
Standardowy przerzutnik RS CMOS
Przerzutnik RS CMOS
– z mniejszą ilością tranzystorów
Ceną za projekt przerzutnika
zajmującego mniej miejsca,
z mniejszą ilością tranzystorów
jest:
-większy czas przełączania
-większy pobór mocy
5
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
11
Przerzutnik RS CMOS - realizujący funkcje logiczne
R = D AND F
S = A AND (B OR C)
Zamiast pojedynczych tranzystorów realizujących funkcje S i R
można użyć układów realizujących funkcje logiczne.
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
12
Przerzutnik RS CMOS – 2 bramki NAND
Q
Q
S
R
Czasami zamiast prostych wejść R i S w układzie wygodniej jest użyć ich negacji.
Schemat nie komplikuje się jeśli przerzutnik skonstruujemy z 2 bramek NAND.
6
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
13
Taktowane przerzutniki CMOS
Taktowany przerzutnik RS
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
14
Taktowany przerzutnik RS CMOS
7
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
15
Taktowany przerzutnik RS CMOS z bramkami transmisyjnymi
Niewielka ilość tranzystorów
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
16
Taktowany przerzutnik RS CMOS z bramkami transmisyjnymi
Ładowanie pojemności w
trakcie operacji „Set”
Obwód ładujący
węzeł Q.
Obwód rozładowujący
węzeł not Q.
Starannie dobierz W/L tranzystorów
8
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
Przerzutnik D
Użycie sygnału D z inwerterem
oraz zegarem zapobiega
możliwości pojawienia się
błędu związanego z zabronionym
stanem S=R=1.
17
R
S
Zastosowanie:
-chwilowa pamięć,
-element opóźniający.
18
Przerzutnik D CMOS
z bramkami transmisyjnymi
Niewielka ilość tranzystorów
9
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
Przerzutnik D master-slave CMOS
19
Dwa kaskadowo połączone
przerzutniki D z bramkami transmisyjnymi
pierwszego (master) i drugiego (slave)
przerzutnika sterowanymi w przeciwfazie.
Drugi przerzutnik rozpoczyna w ten
sposób operację dopiero gdy skończy ją
pierwszy. Unika się w ten sposób hazardu
czasowego związanego z propagacją
sygnału przez różne gałęzie pętli
sprzężenia zwrotnego.
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
Przerzutnik JK
20
W dwuwejściowym przerzutniku JK zapobiega się możliwości pojawienia
się błędu związanego z zabronionym stanem S=R=1 przez użycie sprzężenia
zwrotnego z wyjściem.
Pojawia się jednak ryzyko związane z możliwością różnych
czasów propagacji sygnału przez różne pętle.
10
Logiczne układy bistabilne – przerzutniki.
Przerzutnik JK master-slave CMOS
21
modyfikacja przerzutnika
D master-slave
układ wejściowy
Przerzutnik Schmitta – układ z dodatnim sprżężeniem zwrotnym
powodującym histerezę w charakterystyce przejściowej
W/L = z·µn/ µp
22
W/L = z·µn/ µp
W/L = z·µn/ µp
W/L = z
W/L = z
W/L = z
nMOS, pMOS - symetryczne
(50 nm - nMOS, pMOS)
11
Przerzutnik Schmitta – sprzężenie zwrotne usunięte
23
nMOS, pMOS - symetryczne
(50 nm - nMOS, pMOS)
Przerzutnik Schmitta – wpływ szerokości kanałów tranzystorów
sprzężenia zwrotnego (M3, M6) na wielkość histerezy
W/L = z·µn/ µp
24
W/L = 5· z·µn/ µp
W/L = z·µn/ µp
W/L = z
W/L = z
W/L = 5· z
12
25
Dziękuję za uwagę!
13