用CMOS传输门和CMOS非门设计D触发器.doc

### 使用CMOS传输门和CMOS非门设计D触发器 #### 1. 绪论 ##### 1.1 CMOS D触发器与TTL D触发器的比较 TTL (Transistor-Transistor Logic) 和 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 是两种常见的数字逻辑电路技术。TTL电路以其快速的切换速度和较短的传输延迟（通常为5-10纳秒）而闻名，但在功耗方面表现不佳。相比之下，CMOS电路的切换速度较慢（传输延迟大约为25-50纳秒），但功耗极低。 CMOS电路的功耗与其输入信号的脉冲频率密切相关，这意味着随着频率的增加，芯片会变得更热。例如，74LS47 和 74HC47 都是双D触发器，它们可以用于多种应用，如寄存器、移位寄存器、振荡器、单稳态电路或多谐振荡器等。然而，74LS74 由 TTL 门电路构成，而 74HC74 则采用了 CMOS 门电路。 下面是基于两款芯片的部分参数进行的比较： - **功耗**：CMOS电路采用场效应管，并且在互补配置中工作，这使得电路在静态状态下几乎不消耗功率。74HC74 的静态功耗仅为 0.004 毫瓦，而 74LS74 的功耗为 20 毫瓦。 - **工作电压范围**：CMOS电路的工作电压范围更宽泛，74HC74 可以在 2-6V 之间工作，而 74LS74 的工作电压则限定在 4.75-5.35V。 - **抗干扰能力**：CMOS电路具有更好的抗干扰性能，因为它的工作电平差距较大（7V），而 TTL 电路的电平差距较小（3.15V）。 #### 2. D触发器电路组成结构 ##### 2.1 CMOS反向器 CMOS反向器是最基本的CMOS逻辑门之一，它由一个PMOS和一个NMOS晶体管组成。当输入为高电平时，PMOS截止，NMOS导通，输出为低电平；反之，当输入为低电平时，PMOS导通，NMOS截止，输出为高电平。 ##### 2.2 CMOS传输门 CMOS传输门是一种双向开关，由一对PMOS和NMOS晶体管组成，它们的控制端分别连接到互补的控制信号。当控制信号有效时，该传输门允许数据通过；当控制信号无效时，则切断数据传输路径。 ##### 2.3 D触发器 D触发器是一种基本的时序逻辑元件，它有两个主要输入：数据输入D和时钟输入CLK。D触发器的功能是在时钟信号的上升或下降沿捕获数据输入D的值，并将其存储起来。 ##### 2.4 第一种设计方案 第一种设计方案利用CMOS传输门和CMOS非门来实现D触发器。该方案的核心在于使用传输门控制数据在时钟信号的作用下进入触发器，而非门则用来产生时钟信号的互补信号。 ##### 2.5 第二种设计方案 第二种设计方案可能涉及到更多的CMOS门组合，以提高触发器的稳定性和可靠性。例如，可以在数据输入端添加额外的缓冲层，以减少外部负载对触发器的影响。 ##### 2.6 两种设计方案比较 两种设计方案各有优劣。第一种方案结构简单，易于实现；第二种方案虽然复杂度更高，但在实际应用中可能表现出更好的性能。 #### 3. 置位、复位电路 D触发器还包括置位（Set）和复位（Reset）功能，这些功能可以通过额外的CMOS门电路实现。置位和复位输入可以直接控制触发器的状态，无论时钟信号如何。 #### 4. 特征方程、特征表、激励表、状态图 特征方程是描述D触发器行为的基本数学表达式。特征表和激励表提供了触发器在各种输入组合下的输出状态。状态图则以图形化的方式展示触发器的状态转换过程。 #### 5. 激励信号D的保持时间和时钟CP的最大频率 保持时间是指数据输入必须在时钟边沿之后保持稳定的最小时间间隔。时钟的最大频率取决于触发器内部延迟和其他因素，如保持时间和建立时间等。 #### 6. 设计的D触发器转换成JK触发器和T触发器 D触发器可以通过适当的控制逻辑转换成其他类型的触发器，如JK触发器或T触发器。这种转换通常是通过添加额外的逻辑门来实现的，以满足不同触发器的特定功能需求。 #### 7. CMOS D触发器在CP边沿的工作特性研究 研究CMOS D触发器在时钟边沿处的行为对于理解其性能至关重要。这包括了触发器的设置时间、保持时间以及时钟信号的有效性。 #### 8. CMOS D触发器的应用——CD4013触摸开关 CD4013 是一款双D触发器芯片，广泛应用于各种电子设备中。通过设计合适的控制电路，它可以作为触摸开关使用。 #### 9. 总结及感想 通过对CMOS D触发器的设计和分析，我们可以深入了解这种基本时序逻辑元件的工作原理及其在现代电子系统中的应用。通过比较不同的设计方案和技术，我们可以选择最适合特定应用场景的解决方案。 ### 结论 本篇文章详细介绍了如何使用CMOS传输门和CMOS非门设计D触发器，包括电路结构、工作原理、关键参数分析等方面。通过对比分析TTL和CMOS技术的不同特点，我们不仅能够理解CMOS D触发器的优势，还能深入探讨其在实际应用中的潜力和局限性。这对于从事电子工程领域的技术人员来说具有重要的参考价值。