脉冲触发型触发器开关级的结构和设计方法

脉冲触发型触发器开关级的结构和设计方法

一．介绍

在现代超大规模集成电路中，电路和系统的能量损耗是非常重要的，尤其是针对一些低功率的应用设备。在现代化的同步系统中的所有器件的主要部分，如微处理器，已经消散于时钟系统中了。锁存器和触发器是系统中的基本组成，他们决定了系统的速度和功率。在现代化的同步系统中，它们对周期时间和能量消耗有非常大的影响。从某种意义上来说，触发器和锁存器作为一个基准来确定系统的性能。这些因素从而促进了低功率、高性能触发器的发展。

主从触发器，基于检测放大器的触发器(SAFF)，还有脉冲触发型触发器在学多当代微处理机中是有选择的被使用。主从触发器和基于检测放大器的触发器，是以硬边特性和正向设置时间为特征，从而导致大量数据输出的延迟（D-Q）。脉冲触发型触发器将两个状态减少到一个状态，而且是以软边特性和负的设置时间为特征，从而只产生少量的数据在输出端的延迟，这不仅是减少延迟的损耗，而且也帮助吸收斜交的时钟信号。

根据不同的分类方法，脉冲触发型触发器能分成不同的种类。比如，根据所用的脉冲发射器，脉冲型触发器能被归于两种：隐形脉冲和显性脉冲。脉冲触发型触发器可以是静态的，半静态的，动态的，或者半动态的。脉冲触发型触发器也能被分为单沿触发型触发器和双沿触发型触发器。每一种类型的触发器有它自身的优点和缺点，并且是适用于不同的应用中。脉冲触发型触发器，在过去的十年中一直在被研究。但到目前为止，还没有普通的脉冲触发型触发器的构建和设计方法。

开关信号理论可以适用于数字电路的设计。传输电压开关理论是适用于在CMOS电路的设计。

在这项工作中，脉冲触发的触发器的结构和传输电压开关理论的设计方法的基础上提出了建议。鉴于真值表或逻辑功能，各种脉冲触发触发器可以实现的基础上提出的结构和设计方法。各类脉冲触发触发器，无论它们是静态的还是动态的，隐性或显性的，单边沿触发或双边沿触发，D，T，JK或RS，都可以实施，以满足不同的需求。

二．脉冲型触发器的拟建结构和设计方法

为脉冲触发型触发器所提出的结构原理图如图1所示。所提出的结构由两个部分组成：一个是0到1转换部分，这个部分主要负责执行输出节点由低平到高平的转变；另一个部分是1到0转换部分，踏实用于实现输出节点由高平到低平的转变。0到1转换部分由高频预充电部分，高频检测部分，脉冲时钟部分和一个PMOS晶体管组成。高频预充电部分给内部节点X到VDD之间的部分进行充电，当输出端Q不需要从0变到1的时候。通常，PMOS 晶体管在很多时候都会被当成高频预充电部分使用。在脉冲存在的过程中，当输出端Q需要从0变成1时，高频检测部分和时钟部分被用来放出内部节点X到地之间的电压。1到0转换部分由低频检测部分和脉冲时钟部分组成。

当输出端Q是从0变成1，内部节点X通过高频检测和时钟脉冲部分放电到0。然后，PMOS晶体管导通并且输出端Q上升到1.当输出端Q从1变成0时，低频检测和脉冲时钟部分是输出端Q下降到0。在脉冲存在的过冲中，如果当输出端没有改变，I1和I2组成的弱保持器就会阻止输出端Q浮动。

时间脉冲部分是由0到1转变部分和1到0转变部分共同使用的，目的是为了减少主频晶体管。由于主频晶体管有百分之100的活性因子，并且消耗大量的功率，所以减少主频晶体管的数量是一种有效的方法，去降低触发器设计中的能量消耗问题。

考虑到脉冲触发型触发器有负的设置时间，而且时钟信号会比输入信号早到达输入端，所以我们将脉冲部分放置离接地端近一点。从而可以让内部节点Z能在输入信号到来之前预先放电。因此，X节点或者是Q端的放电过程会更快，这导致更多的负设置时间和触发

器设计的性能改善。负准备时间提供了软性始终边沿特性，在主要的通路中，它具有强大的消除斜交时钟信号和时序预算抖动的能力。

H-P和H-E被用于表示高频预充电部分，高频检测部分以及脉冲时钟部分各个部分的逻辑值。L-E是地贫检测部分和脉冲时钟部分的逻辑值。

基于图1中所拟建的结构，我们对触发型触发器提出一种设计方法。其中将用到传送电压开关原理。

（1）在目标电路中，确定输入与输出信号之间的逻辑关系。

（2）获得H-P,H-E,L-E在开关使用传送电压开关原理时的表达式。

（3）根据获得表达式画出电路图。

这个拟建的结构和设计方法若被运用，则不仅是静态工作的设计，而且还有动态工作的设计。内部节点X能有VDD预先充电，通过不同的新号来满足不同的要求。如果脉冲被用作预先充电信号，则触发器是一种动态的触发器。当输入信号或者是反馈信号被用于给节点X预先充电，触发器将工作在静态的状态。

隐形脉冲触发器和显性脉冲触发器，两者都能通过使用这种拟建的机构和设计方法得到。当这个目标触发器是隐形触发脉冲型，脉冲时钟部分是负责产生窄脉冲，并作为开关，在脉冲存在的过程中使得触发器导通。在显性脉冲电路的设计中，脉冲式由外部脉冲发生器产生，并且，时钟脉冲部分，与高频检测和低频检测部分是在一起的，仅仅起到一个开关的作用去控制输出节点的改变。

拟建的结构和设计方法也使用单触法沿触发器和双触发沿触发器的设计。