数字IC设计——数字电路基本元器件

现代数字集成电路基本由CMOS晶体管构成,而CMOS门电路由PMOS场效应管和NMOS场效应管以对称互补的形式组成,所谓“互补”,即利用互补型MOSFET,即pMOS和nMOS,二者成对出现构成互补电路。
这种电路具有高的电路可靠性和抗干扰能力,同时可以实现低功耗和高速运算。

注:本文所述元器件均为数字集成电路范畴

组合逻辑电路

传输门

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用于放大传输信号

时序逻辑电路

D锁存器

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锁存器通常由一个使能信号(Enable)控制,当使能信号有效时,锁存器可以锁住或保持当前的输入状态;当使能信号无效时,锁存器的输出与输入相同。因此,锁存器是电平触发的,属于异步控制。
在锁存状态下,输出与输入信号无关,保持之前的状态。这使得锁存器在某些情况下可以作为一个简单的数据保持器件。
由于其电平触发的特性,锁存器对输入电平敏感,容易受到布线延迟的影响,输出可能会产生毛刺。
D锁存器由3个反相器、2个与非门和2个或非门组成,共需22个管子。在ASIC中使用锁存器的集成度通常比DFF高,因为锁存器消耗的门电路资源较少。在FPGA中,由于标准单元库中没有锁存器,实现锁存器需要更多的逻辑单元(LE)。
锁存器常用于数据有效迟于时钟信号有效的场合,例如在某些运算器电路中作为数据暂存器。

D触发器

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两个D锁存器构成一个D触发器,触发器受时钟信号(Clock)控制,只有在时钟信号的边沿(上升沿或下降沿)到来时,触发器才会采样当前的输入并产生输出。因此,触发器是由时钟沿触发的,属于同步控制。
触发器具有两种状态,在保持状态下,输出会保持当前的状态,直到下一个时钟信号到来。由于时钟信号的同步控制,触发器不易受到布线延迟的影响,输出毛刺较少。

D触发器需要2X22+2=46个管子

触发器广泛用于各种时序逻辑电路,如计数器、寄存器等。

RS触发器

相比D触发器,RS触发器是边沿触发的。

参考文献

专用集成电路设计

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