CMOS触发器的结构与工作原理

CMOS D触发器足主-从结构形式的一种边沿触发器,CMOS T型触发器、JK触发器、计数单元、移位单元和各种时序电路都由其组成,因此仪以CMOS D触发器为例进行说明。

图1是用CMOS传输门和反相器构成的D触发器,反相器G1、G2和传输门TG1、TG2组成了主触发器,反相器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。反相器G5、G6对时钟输入信号CP进行反相及缓冲,其输出CP和CP′作为传输门的控制信号。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。


当CP′=0,CP′=1时,TG1导通,TG2截止,D端输入信号送人主触发器中,使Q′=D,Q′=D,但这时主触发器尚未形成反馈连接,不能自行保持。Q′、Q′跟随D端的状态变化;同时,由于TG3截止,TG4导通,所以从触发器形成反馈连接,维持原状态不变,而且它与主触发器的联系被TG3切断。

当CP′的上升沿到达(即CP′跳变为1,CP′下降为0)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=Q′=D(CP上升沿到达时D的状态),而Q=Q′=D。
在CP′=1,CP′=0期间,Q=Q′=D,Q=Q′=D的状态一直不会改变,直到CP′下降沿到达时(即CP′跳变为0,CP′跳变为1),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)。若将四个传输门的控制信号CP′和CP′极性都换成相反的状态,则CP下降沿为有效沿,而上升沿为无效沿。下面以CP上升沿为有效触发沿进行分析。