Для магистратуры / CMOS_IC

160

Глава 6. Динамические логические схемы

Динамические логические схемы в отличие от статических используют представление информации в виде зарядов на емкостях. В статических схемах выходные сигналы вентилей сохраняются, пока не изменятся входные сигналы, поскольку они связаны однозначно. В динамических логических схемах выходные сигналы вентилей сохраняются только в течение некоторого времени – такта работы. Они связаны с входными сигналами только в определенные интервалы времени. При необходимости длительного сохранения требуется их восстановление – регенерация.

При использовании динамических логических схем необходимы тактовые сигналы, которые обеспечивают начальную установку (предустановку) потенциалов узлов, а в некоторых случаях и передачу сигналов по цепочке вентилей.

Динамические логические схемы обладают рядом достоинств:

1)сочетают логические функции с памятью;

2)используют общие тактовые сигналы для синхронизации различных блоков;

3)требуют меньше элементов при выполнении сложных функций;

4)зачастую рассеивают меньшую мощность из-за малых паразитных емкостей.

6.1.Динамические логические элементы

Вдинамических логических элементах тактовые импульсы подаются на специальные МОП-транзисторы предзаряда и чтения, а входные сигналы – на транзисторы логического блока. В отличие от комбинационных КМОП-элементов, содержащих два комплементарных логических блока, динамические элементы имеют только один логический блок.

Динамический инвертор. Электрическая схема динамического КМОП-инвертора и временная диаграмма его работы приведены на рис.6.1.

Врежиме предзаряда низкий уровень тактового сигнала φ открывает p-МОП предзаряда и выходной узел схемы Y заряжается до высокого уровня напряжения питания. Остальная часть схемы не мешает этому, поскольку закрыт нижний n-МОП- чтения. При повышении напряжения тактового сигнала во время перехода к рабочему режиму (режиму чтения) p-МОП предзаряда закрывается, а n-МОП чтения открывается.

162

источнику питания, а n-МОП выключен (рис.6.3). В такте чтения состояния p-МОП и n-МОП меняются, а выходной сигнал определяется комбинацией входных сигналов, подаваемых на блок.

Рис.6.2. Динамические КМОП-вентили: а – n-КМОП, б – n–p-КМОП

Если все цепи блока n в режиме чтения закрыты, то на выходе остается высокое напряжение. Если хотя бы одна цепь блока n соединяет узел выхода с нулевым потенциалом, то выходной узел разряжается, и на выходе устанавливается низкий уровень.

В динамических вентилях наряду с блоком n может использоваться и блок р. Если блоки n и р используют разнополярные тактовые импульсы, то они могут взаимно работать друг на друга в одном такте чте-

ния (рис.6.2,б).

Основное достоинство динамических КМОП-вентилей – сокращение количества транзисторов. Если в статическом вентиле c N различными входами содержится 2 N транзисторов, то в динамическом только N+2 транзистора. Уменьшение количества транзисторов ведет к снижению входной емкости и площади, занимаемой вентилем.

Потенциал выходного узла X динамической схемы в режиме чтения разряжается не только под действием входных сигналов, но и за счет токов утечки (рис.6.3,а). Для предотвращения такой разрядки иногда используют специальный компенсирующий p-МОП, сохраняющий высокий выходной потенциал (рис.6.3,б). Компенсирующий p-МОП управляется проинвертированным выходным сигналом. Так как ток утечки невелик, то требования к дополнительному p-МОП невысоки, и он может иметь минимально возможный размер.

163

Рис.6.3 Изменение выходного потенцила в динамических КМОП-вентилях: а – за счет утечки ; б – компенсация изменения; в – за счет перераспределения заряда

Выходной сигнал динамической схемы подвержен влиянию помех за счет перераспределения заряда (рис 6.4,в). Если в режиме чтения ближайший к выходному узлу n-МОП открывается, а в целом цепь n- МОП остается закрытой, то выходной заряд емкости CZ частично перейдет на емкость CX. Для предотвращения такой деградации выходного сигнала необходимо уменьшать емкость узла Z или во время предзаряда привязывать к высокому потенциалу не только узел X, но и узел Z, для чего потребуется дополнительный p-МОП.

Таким образом, преимущества динамических КМОП-вентилей перед статическими следующие:

1)простота – меньшее количество транзисторов;

2)меньшее потребление тока за счет исключения сквозных токов;

3)меньшие входные емкости;

4)малая задержка нарастания выходного сигнала.

Однако у динамических вентилей немало недостатков:

1)выходной сигнал сформирован только в период чтения;

2)задержка спада больше из-за дополнительного ключа;

3)деградация выходного сигнала;

4)ограниченная минимальная тактовая частота из-за разряда выходной емкости;

5)чувствительность к паразитным сигналам.

6.2. Логические элементы типа домино

Логические элементы типа домино расширяют возможности работы динамических элементов и позволяют сочетать простоту динамических схем с гибкостью классических (статических) схем.

Домино-вентили. В динамических элементах в течение фазы чтения разряженный узел выхода не может быть заряжен, т.е. не может правильно реагировать на входные сигналы. Другими словами, на переходы входных сигналов накладываются ограничения, и в общем случае, вы-

164

ход схемы не может работать на вход аналогичной схемы в одной фазе чтения. Для устранения такой ситуации вводят дополнительный статический инвертор (рис.6.4,а).

Рис.6.4. Цепочка домино вентилей: а –схема; б – временная диаграмма

Распространение сигнала по цепочке подобных вентилей происходит волнообразно (рис.6.4,б) и напоминает падение вертикально поставленных фишек домино, за что они и получили соответствующее название.

Домино цепочка переноса. На основе домино эффективно реализуется цепочка быстрого переноса в параллельных сумматорах (рис.6.5)

.

Рис.6.5. Домино цепочка переноса.

Во время низкого уровня тактового импульса φ потенциалы точек а в цепи переноса устанавливаются высокими. Наличие сигнала генерации переноса G снижает потенциал соответствующей точки до нуля. Наличие сигнала разрешения распространения переноса Р приводит к снижению потенциала вдоль цепочки – к распространению сигнала переноса.

Дифференциальный домино-вентиль. Домино вентили являют-

ся неинвертирующими, поскольку внутри вентиля сигнал инвертируется

165

дважды. Инвертирующий вентиль порождает дифференциальный элемент типа домино (рис.6.6).

Рис.6.6. Дифференциальный домино-вентиль.

В его состав естественным образом вводится компенсирующий p-МОП- транзистор.

6.3.Динамические регистры сдвига

Вдинамических логических схемах информация передается через цепочку вентилей, которая, в частности, может быть организована как регистр сдвига.

Динамический запоминающий элемент. Простейший запоми-

нающий элемент содержит входной ключ, запоминающий конденсатор и выходной усилитель (инвертор) (рис.6.7).

Рис.6.7. Динамический запоминающий элемент: а – с n-МОП ключом; б – c КМОП-ключом.

В качестве ключа используют как n-МОП ключ (рис.6.7,а), так и КМОПключ (рис.6.7,б).

Однотактный регистр сдвига. Последовательное соединение двух динамических запоминающих элементов, подсоединенных к двум фазам тактового сигнала, образует отдельный разряд регистра сдвига. Если использовать прямой и проинвертированный тактовые сигналы (пред-

167

пульсами. В качестве примера на рис.6.10 представлен двухтактный регистр сдвига с неперекрывающимися тактовыми сигналами.

Рис 6.10. Двухтактный регистр сдвига

Функциональные регистры сдвига. Прохождение сигналов по регистру сдвига может сопровождаться их обработкой дополнительными логическими схемами В частности, это могут быть схемы приема параллельных кодов в последовательный регистр сдвига.

168

Глава 7. Последовательностные логические схемы

У последовательностных логических схем, в отличие от комбинационных, выходные сигналы зависят не только от входных сигналов, но и от внутреннего состояния схем, которое описывается переменными состояния.

Изменение внутреннего состояния последовательностной схемы под действием входных сигналов может происходить как синхронно с тактовым сигналом, так и в произвольные моменты времени (асинхронно).

7.1. Конечные автоматы и уравнения триггеров

Конечный автомат. При синхронной работе последовательностную схему называют конечным автоматом, и ее поведение описывают системой логических (характеристических) уравнений, зависящих от дискретного времени:

где Q – вектор внутреннего состояния; X – вектор входных переменных; Y – вектор выходных переменных; n – дискретное время (номер такта).

Для простоты характеристические уравнения перепишем в виде

где верхний индекс “+” означает следующий момент времени.

В последовательностных схемах функция F, определяющая выходной сигнал, может зависеть от X (автомат Мура) или не зависеть (автомат Миля).

Функция G, определяющая изменение внутреннего состояния, может зависеть только от Q или только от X, что преобразует конечный автомат в генератор двоичных кодов или однотактную задержку, соответственно.

При асинхронной работе последовательностную схему необходимо анализировать в непрерывном времени. Формулы остаются справедливыми, но приобретают другой смысл. Так, Q+ означает сдвиг на время задержки схемы t0, т.е.