D 触发器.docx

1、简 介边 沿 D 触 发 器 电 平 触 发 的 主 从 触 发 器 工 作 时 ， 必 须 在 正 跳 沿 前 加 入 输 入 信 号 。 如 果 在CP 高 电 平 期 间 输 入 端 出 现 干 扰 信 号 ， 那 么 就 有 可 能 使 触 发 器 的 状 态 出 错 。而 边 沿 触 发 器 允 许 在 CP 触 发 沿 来 到 前 一 瞬 间 加 入 输 入 信 号 。 这 样 ， 输 入 端受 干 扰 的 时 间 大 大 缩 短 ， 受 干 扰 的 可 能 性 就 降 低 了 。 边 沿 D 触 发 器 也 称 为维 持 -阻 塞 边 沿 D 触 发 器 。 英 文 全 称 为

2、data flip-flop 或 delay flip-flop。 电 路 结 构 该 触 发 器 由 6 个 与 非 门 组 成 ， 其 中 G1 和 G2 构 成 基 本 RS 触 发 器 。 编 辑 本 段 工 作 原 理SD 和 RD 接 至 基 本 RS 触 发 器 的 输 入 端 ， 它 们 分 别 是 预 置 和 清 零 端 ， 低电 平 有 效 。 当 /SD=1 且 /RD=0 时 ,不 论 输 入 端 D 为 何 种 状 态 ， 都 会 使Q=0， Q 非 =1， 即 触 发 器 置 0； 当 /SD=0 且 /RD=1 时 ， Q=1， Q 非 =0， 触 发 器置 1,

3、SD 和 RD 通 常 又 称 为 直 接 置 1 和 置 0 端 。 我 们 设 它 们 均 已 加 入 了 高 电平 ， 不 影 响 电 路 的 工 作 。 工 作 过 程 如 下 ： 1.CP=0 时 ， 与 非 门 G3 和 G4 封 锁 ， 其 输 出 Q3=Q4=1， 触 发 器 的 状 态 不变 。 同 时 ， 由 于 Q3 至 Q5 和 Q4 至 Q6 的 反 馈 信 号 将 这 两 个 门 打 开 ， 因 此 可接 收 输 入 信 号 D， Q5=D， Q6=Q5 非 =D 非 。 D 触 发 器 原 理2.当 CP 由 0 变 1 时 触 发 器 翻 转 。 这 时 G3

4、和 G4 打 开 ， 它 们 的 输 入 Q3 和 Q4的 状 态 由 G5 和 G6 的 输 出 状 态 决 定 。 Q3=Q5 非 =D 非 ， Q4=Q6 非 =D。 由 基 本RS 触 发 器 的 逻 辑 功 能 可 知 ， Q=Q3 非 =D。 3.触 发 器 翻 转 后 ， 在 CP=1 时 输 入 信 号 被 封 锁 。 这 是 因 为 G3 和 G4 打 开后 ， 它 们 的 输 出 Q3 和 Q4 的 状 态 是 互 补 的 ,即 必 定 有 一 个 是 0， 若 Q3 为0， 则 经 G3 输 出 至 G5 输 入 的 反 馈 线 将 G5 封 锁 ， 即 封 锁 了 D

5、通 往 基 本 RS 触 发 器 的 路 径 ； 该 反 馈 线 起 到 了 使 触 发 器 维 持 在 0 状 态 和 阻 止 触 发 器 变 为1 状 态 的 作 用 ,故 该 反 馈 线 称 为 置 0 维 持 线 ,置 1 阻 塞 线 。 Q4 为 0 时 ， 将 G3和 G6 封 锁 ， D 端 通 往 基 本 RS 触 发 器 的 路 径 也 被 封 锁 。 Q4 输 出 端 至 G6 反 馈线 起 到 使 触 发 器 维 持 在 1 状 态 的 作 用 ， 称 作 置 1 维 持 线 ； Q4 输 出 至 G3 输入 的 反 馈 线 起 到 阻 止 触 发 器 置 0 的 作 用

6、 ,称 为 置 0 阻 塞 线 。 因 此 ， 该 触 发 器常 称 为 维 持 -阻 塞 触 发 器 。 总 之 ， 该 触 发 器 是 在 CP 正 跳 沿 前 接 受 输 入 信 号 ，正 跳 沿 时 触 发 翻 转 ， 正 跳 沿 后 输 入 即 被 封 锁 ,三 步 都 是 在 正 跳 沿 后 完 成 ， 所以 有 边 沿 触 发 器 之 称 。 与 主 从 触 发 器 相 比 ,同 工 艺 的 边 沿 触 发 器 有 更 强 的 抗干 扰 能 力 和 更 高 的 工 作 速 度 。 功 能 描 述 编 辑 本 段 特 征1.特 征 表 2.特 征 方 程 Qn+1=D 3.时 序

7、图 波 形 图 (CP,D,Q)编 辑 本 段 脉 冲 特 性1.建 立 时 间 :由 图 7.8.4 维 持 阻 塞 触 发 器 的 电 路 可 见 ,由 于 CP 信 号 是 加到 门 G3 和 G4 上 的 ,因 而 在 CP 上 升 沿 到 达 之 前 门 G5 和 G6 输 出 端 的 状 态 必须 稳 定 地 建 立 起 来 。 输 入 信 号 到 达 D 端 以 后 ， 要 经 过 一 级 门 电 路 的 传 输 延迟 时 间 G5 的 输 出 状 态 才 能 建 立 起 来 ,而 G6 的 输 出 状 态 需 要 经 过 两 级 门 电 路的 传 输 延 迟 时 间 才 能 建

8、 立 ,因 此 D 端 的 输 入 信 号 必 须 先 于 CP 的 上 升 沿 到 达 ，而 且 建 立 时 间 应 满 足 ： tset 2tpd。 2.保 持 时 间 ： 由 图 7.8.1 可 知 ， 为 实 现 边 沿 触 发 ,应 保 证 CP=1 期 间 门G5 的 输 出 状 态 不 变 ,不 受 D 端 状 态 变 化 的 影 响 。 为 此 ， 在 D=0 的 情 况 下 ，当 CP 上 升 沿 到 达 以 后 还 要 等 门 G3 输 出 的 低 电 平 返 回 到 门 G5 的 输 入 端 以 后 ,D端 的 低 电 平 才 允 许 改 变 。 因 此 输 入 低 电

9、平 信 号 的 保 持 时 间 为 tHL tpd。 在 D=1 的 情 况 下 ， 由 于 CP 上 升 沿 到 达 后 G4 的 输 出 将 G3 封 锁 ， 所 以 不 要 求 输入 信 号 继 续 保 持 不 变 ,故 输 入 高 电 平 信 号 的 保 持 时 间 tHH=0。 3.传 输 延 迟 时 间 ： 由 图 7.8.3 不 难 推 算 出 ， 从 CP 上 升 沿 到 达 时 开 始 计算 ,输 出 由 高 电 平 变 为 低 电 平 的 传 输 延 迟 时 间 tPHL 和 由 低 电 平 变 为 高 电 平的 传 输 延 迟 时 间 tPLH 分 别 是 :tPHL=3

10、tpd tPLH=2tpd D 触 发 器4.最 高 时 钟 频 率 ： 为 保 证 由 门 G1 G4 组 成 的 同 步 RS 触 发 器 能 可 靠 地 翻 转 ，CP 高 电 平 的 持 续 时 间 应 大 于 tPHL,所 以 时 钟 信 号 高 电 平 的 宽 度 tWH 应 大 于tPHL。 而 为 了 在 下 一 个 CP 上 升 沿 到 达 之 前 确 保 门 G5 和 G6 新 的 输 出 电 平得 以 稳 定 地 建 立 ， CP 低 电 平 的 持 续 时 间 不 应 小 于 门 G4 的 传 输 延 迟 时 间 和tset 之 和 ， 即 时 钟 信 号 低 电 平

11、的 宽 度 tWL tset+tpd， 因 此 得 到 : 最 后 说 明 一 点 ， 在 实 际 集 成 触 发 器 中 ， 每 个 门 传 输 时 间 是 不 同 的 ， 并 且作 了 不 同 形 式 的 简 化 ， 因 此 上 面 讨 论 的 结 果 只 是 一 些 定 性 的 物 理 概 念 。 其 真实 参 数 由 实 验 测 定 。 z 在 考 虑 建 立 保 持 时 间 时 ， 应 该 考 虑 时 钟 树 向 后 偏 斜 的 情 况 ， 在 考 虑建 立 时 间 时 应 该 考 虑 时 钟 树 向 前 偏 斜 的 情 况 。 在 进 行 后 仿 真 时 ， 最 大 延 迟 用来

12、检 查 建 立 时 间 ， 最 小 延 时 用 来 检 查 保 持 时 间 。 D 触 发 器z 建 立 时 间 的 约 束 和 时 钟 周 期 有 关 ， 当 系 统 在 高 频 时 钟 下 无 法 工 作 时 ， 降 低时 钟 频 率 就 可 以 使 系 统 完 成 工 作 。 保 持 时 间 是 一 个 和 时 钟 周 期 无 关 的 参 数 ，如 果 设 计 不 合 理 ， 使 得 布 局 布 线 工 具 无 法 布 出 高 质 量 的 时 钟 树 ， 那 么 无 论如 何 调 整 时 钟 频 率 也 无 法 达 到 要 求 ， 只 有 对 所 设 计 系 统 作 较 大 改 动 才

13、有 可 能正 常 工 作 ， 导 致 设 计 效 率 大 大 降 低 。 因 此 合 理 的 设 计 系 统 的 时 序 是 提 高 设 计质 量 的 关 键 。 在 可 编 程 器 件 中 ， 时 钟 树 的 偏 斜 几 乎 可 以 不 考 虑 ， 因 此 保 持时 间 通 常 都 是 满 足 的 。单 稳 态 电 路 只 有 一 个 稳 定 状 态 ， 触 发 翻 转 后 经 过 一 段 时 间 会 回 到 原 来 的 稳 定状 态 ， 一 般 作 固 定 脉 冲 宽 度 整 形 。 双 稳 态 电 路 有 两 个 稳 定 状 态 ， 一 个 输 出 端 和 两 个 输 入 端 （ “+”

14、、“ ”端 各 一 个 ） ， 当 输 入 端 的 “+”端 有 触 发 信 号 时 ， 输 出 端 不 管 原 来 是什 么 状 态 ， 都 会 立 即 变 为 高 电 平 ， 且 一 直 稳 定 地 输 出 高 电 平 。 如 果 当 输 入 端的 “ ”端 有 触 发 信 号 时 ， 输 出 端 不 管 原 来 是 什 么 状 态 ， 都 会 立 即 变 为 低 电平 ， 且 一 直 稳 定 地 输 出 低 电 平 。 触 发 翻 转 后 会 一 直 保 持 ， 有 记 忆 效 用 ， 一 般作 存 储 器 或 计 数 器 。 我 们 知 道 ， 数 字 电 路 的 信 号 只 有 两

15、种 状 态 ： 逻 辑 低 或 逻 辑 高 ， 即 通 常 所说 的 0 状 态 或 1 状 态 、 0 电 平 或 1 电 平 。 单 稳 电 路 指 的 是 该 电 路 的 输 出 信 号 只 能 在 一 种 状 态 （ 逻 辑 高 或 低 ） 下 是稳 定 的 ， 而 当 电 路 的 输 出 处 在 另 一 种 状 态 下 时 不 能 稳 定 的 保 持 住 ， 会 自 动 的回 到 稳 定 的 状 态 。 当 然 ， 双 稳 电 路 就 是 说 电 路 的 输 出 信 号 在 两 种 状 态 下 （ 0 或 1） 都 可 以稳 定 的 存 在 。 单 稳 电 路 的 应 用 是 十 分

16、 广 泛 的 ， 一 般 用 来 产 生 一 定 时 间 宽 度 的 （ 正 或 负 ）脉 冲 信 号 。 单 稳 （ 电 路 ） 触 发 器 同 “RS 触 发 器 ”、 “JK 触 发 器 ”、 “D 触 发 器 ”等 （ 后 几 种 为 双 稳 态 的 触 发 器 ） 构 成 数 字 电 路 中 基 本 的 触 发 器 类 型 ， 单 稳 电路 也 是 数 字 电 路 中 的 基 本 电 路 。 注 ： 在 看 数 字 电 路 的 资 料 时 ， 有 时 看 到 “三 态 ”的 字 样 ， 三 态 指 的 是除 了 前 面 说 的 逻 辑 状 态 0、 逻 辑 状 态 1 以 外 ， 还

17、 有 称 为 “高 阻 态 ”的 第 三种 的 状 态 。 “高 阻 态 ”指 （ 信 号 ） 线 呈 高 阻 抗 状 态 ， 就 象 信 号 线 “断 开 ”一 样 。 “高 阻 态 ”应 理 解 为 “电 路 ”的 一 种 状 态 而 不 是 “信 号 ”的 一 种 状态 （ 数 字 信 号 只 有 0 或 1） 。1.单 稳 态 触 发 器 只 有 一 个 稳 定 状 态 ， 一 个 暂 稳 态 。 2.在 外 加 脉 冲 的 作 用 下 ， 单 稳 态 触 发 器 可 以 从 一 个 稳 定 状 态 翻 转 到 一 个暂 稳 态 。 3.由 于 电 路 中 RC 延 时 环 节 的 作

18、 用 ， 该 暂 态 维 持 一 段 时 间 又 回 到 原 来 的稳 态 ， 暂 稳 态 维 持 的 时 间 取 决 于 RC 的 参 数 值 。 编 辑 本 段 电 路 组 成如 图 6-7 所 示 ， 其 中 R、 C 为 单 稳 态 触 发 器 的 定 时 元 件 ， 它 们 的 连 接 点Vc 与 定 时 器 的 阀 值 输 入 端 （ 6 脚 ） 及 输 出 端 Vo（ 7 脚 ） 相 连 。 单 稳 态 触 发器 输 出 脉 冲 宽 度 tpo=1.1RC。 Ri、 Ci 构 成 输 入 回 路 的 微 分 环 节 ， 用 以 使 输 入 信 号 Vi 的 负 脉 冲 宽 度tp

19、i 限 制 在 允 许 的 范 围 内 ， 一 般 tpi5RiCi， 通 过 微 分 环 节 ， 可 使 Vi的 尖脉 冲 宽 度 小 于 单 稳 态 触 发 器 的 输 出 脉 冲 宽 度 tpo。 若 输 入 信 号 的 负 脉 冲 宽 度tpi 本 来 就 小 于 tpo， 则 微 分 环 节 可 省 略 。 定 时 器 复 位 输 入 端 （ 4 脚 ） 接 高 电 平 ， 控 制 输 入 端 Vm 通 过 0.01uF 接地 ， 定 时 器 输 出 端 Vo（ 3 脚 ） 作 为 单 稳 态 触 发 器 的 单 稳 信 号 输 出 端 。 编 辑 本 段 工 作 原 理当 输 入

20、Vi 保 持 高 电 平 时 ， Ci 相 当 于 断 开 。 输 入 Vi由 于 Ri 的 存 在 而为 高 电 平 Vcc。 此 时 ， 若 定 时 器 原 始 状 态 为 0， 则 集 电 极 输 出 （ 7 脚 ） 导通 接 地 ， 使 电 容 C 放 电 、 Vc=0， 即 输 入 6 脚 的 信 号 低 于 2/3Vcc， 此 时 定 时器 维 持 0 不 变 。 若 定 时 器 原 始 状 态 为 1， 则 集 电 极 输 出 （ 7 脚 ） 对 地 断 开 ， Vcc 经 R向 C 充 电 ， 使 Vc 电 位 升 高 ， 待 Vc 值 高 于 2/3Vcc 时 ， 定 时 器

21、 翻 转 为 0 态 。 结 论 ： 单 稳 态 触 发 器 正 常 工 作 时 ， 若 未 加 输 入 负 脉 冲 ， 即 Vi 保 持 高 电平 ， 则 单 稳 态 触 发 器 的 输 出 Vo 一 定 是 低 电 平 。 单 稳 态 触 发 器 的 工 作 过 程 分 为 下 面 三 个 阶 段 来 分 析 ， 图 6-8 为 其 工 作波 形 图 ： 触 发 翻 转 阶 段 ： 输 入 负 脉 冲 Vi 到 来 时 ， 下 降 沿 经 RiCi 微 分 环 节 在 Vi端 产 生 下 跳 负向 尖 脉 冲 ， 其 值 低 于 负 向 阀 值 （ 1/3Vcc） 。 由 于 稳 态 时

22、Vc 低 于 正 向 阀 值（ 2/3Vcc） ， 固 定 时 器 翻 转 为 1， 输 出 Vo 为 高 电 平 ， 集 电 极 输 出 对 地 断 开 ，此 时 单 稳 态 触 发 器 进 入 暂 稳 状 态 。 暂 态 维 持 阶 段 ： 由 于 集 电 极 开 路 输 出 端 （ 7 脚 ） 对 地 断 开 ， Vcc 通 过 R 向 C 充 电 ， Vc按 指 数 规 律 上 升 并 趋 向 于 Vcc。 从 暂 稳 态 开 始 到 Vc 值 到 达 正 向 阀 值（ 2/3Vcc） 之 前 的 这 段 时 间 就 是 暂 态 维 持 时 间 tpo 。 返 回 恢 复 阶 段 ：

23、当 C 充 电 使 Vc 值 高 于 正 向 阀 值 (2/3Vcc） 时 ， 由 于 Vi端 负 向 尖 脉 冲已 消 失 ， Vi值 高 于 负 向 阀 值 （ 1/3Vcc） ， 定 时 器 翻 转 为 0， 输 出 低 电 平 ，集 电 极 输 出 端 （ 7 脚 ） 对 地 导 通 ， 暂 态 阶 段 结 束 。 C 通 过 7 脚 放 电 ， 使 Vc值 低 于 正 向 阀 值 （ 2/3Vcc） ， 使 单 稳 态 触 发 器 恢 复 稳 态 。 编 辑 本 段 单 稳 态 触 发 器 应 用 举 例利 用 单 稳 态 触 发 器 的 特 性 可 以 实 现 脉 冲 整 形 ，

24、脉 冲 定 时 等 功 能 。 1.脉 冲 整 形 利 用 单 稳 态 触 发 器 能 产 生 一 定 宽 度 的 脉 冲 这 一 特 性 ， 可 以 将 过 窄 或 过 宽的 输 入 脉 冲 整 形 成 固 定 宽 度 的 脉 冲 输 出 。 如 图 6-9 所 示 的 不 规 则 输 入 波 形 ， 经 单 稳 态 触 发 器 处 理 后 ， 便 可 得 到 固定 宽 度 、 固 定 幅 度 ， 且 上 升 、 下 降 沿 陡 峭 的 规 整 矩 形 波 输 出 。 2.脉 冲 定 时 ： 若 将 单 稳 态 触 发 器 的 输 出 Vo 接 至 与 门 的 一 个 输 入 脚 ， 与 门

25、 的 另 一个 输 入 脚 输 入 高 频 脉 冲 序 列 Vf。 单 稳 态 触 发 器 在 输 入 负 向 窄 脉 冲 到 来 时 开始 翻 转 ， 与 门 开 启 ， 允 许 高 频 脉 冲 序 列 通 过 与 门 从 其 输 出 端 VAND 输 出 。 经过 tpo 定 时 时 间 后 ， 单 稳 态 触 发 器 恢 复 稳 态 ， 与 门 关 闭 ， 禁 止 高 频 脉 冲 序 列输 出 。 由 此 实 现 了 高 频 脉 冲 序 列 的 定 时 选 通 功 能 。窄脉冲小信号运算放大电路的设计与实现Time:2012-02-08 14:18:44 Author: Source:中

26、电网分享到： 运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器“.运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业中。文中介绍的就是一种以三个芯片级联而成的差分运算放大器，该运放能实现窄脉冲小信号放大，脉冲的上升沿可以达到 50ns.1 设计目的根据项目需要，本次设计的差分运算放大器是用于放大检波器输出的信号的，由于接收机接受的信号是小信号脉冲调制，因此设计的

27、运放必要能够放大小信号窄脉冲。因为在小信号情况下，检波器输出为毫伏级别，而指标要求输出在-2+2V 之间，所以设计的差分放大电路放大倍数约 100 倍。2 设计思路由于此次设计的运放是为了放大脉冲信号的，所以必须要考虑脉冲信号上升沿的问题，如果上升沿时间太大会导致脉冲信号的失真，因此设计的最初就是要限定脉冲信号上升沿时间 T50ns.由于脉冲信号的带宽和上升沿存在如下关系：FT=3.5（F 表示带宽），可知上升沿时间越小，带宽就越大，当上升沿时间 T=50ns 时。带宽就要达到 70MHz.因为运放的带宽和增益成反比，如果只使用一级运放，在达到要求带宽的同时增益就达不到要求的 100,因此本次

28、设计的运放采用两级放大结构，每级放大 10 倍。3 相关电路从以上分析可知本次运放电路采用两级结构。第一级首先对基带信号进行差分放大，芯片选择 AD 公司的 ADA4817-1 和 ADA4817-2,第一级放大电路如图 1 所示。第一级放大所用的芯片 ADA4817-1（单通道）和 ADA4817-2 （双通道）FastFET 放大器是单位增益稳定、超高速电压反馈型放大器，具有 FET 输入。这些放大器采用 ADI 公司专有的超高速互补双极型（XFCB）工艺，这一工艺可使放大器实现高速和超低的噪声（4nV/Hz;2.5 fA/Hz）以及极高的输入阻抗。将第一级输出的信号进行二次放大，第二级放

29、大选择 AD 公司的 AD8009 芯片。图 2 所示是第二级放大电路。第二级放大所用的芯片 AD8009 是一款超高速电流反馈型放大器，压摆率达到惊人的 5 500 V/s,上升时间仅为 545ps,因而非常适合用作脉冲放大器。此外为了防止自激，在两级放大的中间连接了一个 10 电阻。图 3 是差分运放的整体原理图。4 测试图 4 是示波器上显示的是差分输入端得两个信号，从图上可以看出，两个信号的差是 2.32mV。图 5 是运放的输出信号，从图中可以看出输出信号为 220mV,相比输入信号的 2.32mV,实现了接近 100倍的放大。而且可以从图中看出，上升沿为 50ns,也是满足设计目标的。