锁存器相关

2-1】基本双稳态电路

将两个非门G1和G2接成如图5.1.1所示的交叉耦合形式，则构成最基本的双稳态电路。

从图5.1.1所示电路的逻辑关系可知，若 Q=0 ，经非门G2反相，则 Q¯ =1。Q¯反馈到G1输入端，又保证了 Q=0 。

由于两个非门首尾相接的逻辑锁定，因而电路能自行保持在 Q=0 、Q¯=1的状态，形成第一种稳定状态。反之，若 Q=1 ，Q¯=0，则形成第二种稳定状态。在两种稳定状态中，输出端 Q 和Q¯总是逻辑互补的。可以定义 Q=0 为整个电路的0状态， Q=1 则是1状态。

电路进入其中任意一种逻辑状态都能长期保持下去，并可以通过 Q 端电平检测出来，因此，它具有存储1位二进制数据的功能。

像图5.1.1所示电路这样，具有0、1两种逻辑状态，一旦进入其中一种状态，就能长期保持不变的单元电路，称为双稳态存储电路，简称【双稳态】电路。本节所讨论的锁存器即属于双稳态电路。

可以看出，图5.1.1 所示双稳态电路的功能极不完备。在接通电源后，它可能【随机进入】0状态或1状态，因为没有控制机构，所以也无法在运行中改变和控制它的状态，从而【不能作为】存储电路使用。

但是，该电路是各种锁存器、触发器等存储单元的【基础】。

【2-2】SR锁存器

锁存器（ Latch ）是一种对【脉冲电平敏感】的双稳态电路，它具有0和1两个稳定状态，一旦状态被确定，就能自行保持，直到有外部特定输入脉冲电平作用在电路一定位置时，才有可能改变状态。这种特性可以用于置入和存储1位二进制数据。

常见的SR锁存器可分为以下几种

1、基本SR锁存器（或非门）	2、基本SR锁存器（与非门）
3、门控SR锁存器（普通门）	4、门控SR锁存器（CMOS门）

——1）基本SR锁存器（或非门）

将图5.1.1中双稳态电路的非门换成或非门，则构成图5.2.1（a）所示的基本 SR 锁存器。

它是一种具有最简单控制功能的双稳态电路。图中， S 和 R是两个输入端， Q 和 Q¯是两个输出端。

定义 Q=0 且 Q¯ =1为整个锁存器的 0 状态， Q=1 且Q¯=0则是锁存器的 1 状态。

下面根据、S、R 的4种输入状态组合来分析它的工作原理。

由上述分析可得基本 SR 锁存器的功能表，如表5.2.1所示。表中的4行内容分别对应于上面四种输入输出状态。

图5.2.1（b）所示为基本 SR 锁存器的逻辑符号，S 和 R 分别为置位端和复位端， Q 和 Q¯ 为互补的两个输出端，其中Q¯输出锁存器的非状态，所以用小圆圈示之。

这样，不通过图5.2.1（a）的逻辑门电路，仅从抽象的逻辑符号也可以理解基本 SR 锁存器各输入、输出信号之间的逻辑关系。

基本 SR 锁存器的数据保持、置0和置1功能，是一个可实际应用的存储单元最基本的逻辑功能。基本 SR锁存器的典型工作波形如图5.2.2所示。

——2）基本SR锁存器（与非门）

基本 SR 锁存器也可以用与非门构成，其逻辑原理图和逻辑符号如图5.2.5所示。

图5.2.5 （a）中的两个与非门是用其等效符号表示的（ a¯+b¯=ab¯ ），由图可分析出当、S、R 为不同输入状态组合时锁存器的状态，如表5.2.2所示。

注意：此处S与R均为“低有效”

当输入为 S¯=R¯=0 时， Q=1 、 Q¯=1 ，该锁存器处于非定义状态，因此工作时应当受到 S¯ + R¯ = SR¯=1 的条件约束，即同样应遵守 SR=0 的约束条件。

与前述或非门构成的基本 SR 锁存器不同，这种锁存器的输入信号S¯和 R¯以逻辑0作为有效作用信号，因而在图5.2.5（b）所示逻辑符号中，在输入端用小圆圈表示。

为了区别，这种锁存器有时也称为基本SR锁存器。

——3）门控SR锁存器（普通门）

前面所讨论的基本 SR 锁存器的输出状态是由输入信号 S 或 R 直接控制的，而图5.2.8（a）所示电路在基本 SR 锁存器输入端增加了一对逻辑门G3、G4，用使能信号 E 控制锁存器在某一指定时刻，根据、S、R 输入信号确定输出状态。

这种锁存器称为门控 SR 锁存器。通过控制 E 端电平，可以实现多个锁存器【同步】的数据锁存。

从图5.2.8（a）可以看出，当 E=0 时， Q3=Q4=0 ，、S、R 端的逻辑状态不会影响到锁存器的状态；当 E=1 时，、S、R 端的信号被传送到基本 SR 锁存器的输入端，从而可确定 Q 和 Q¯ 端的状态，其功能与表5.2.1一致。

若 E=1 时输入信号 S=R=1 ，则Q=Q¯=0，锁存器将处于非定义的逻辑状态。当 E 恢复为0时，由于Q3、Q4同时回到0，将不能确定锁存器的状态。

因此，应用这种锁存器必须更严格地遵守 SR=0 的约束条件。由于约束条件造成的应用限制，因而很少有独立的门控 SR 锁存器产品。但是，在许多中、大规模集成电路中时常应用这种锁存器，或用它构成触发器或存储器。所以， SR 锁存器仍是重要的基本逻辑单元。

图5.2.8（b）所示是门控 SR 锁存器的逻辑符号。其方框内用 C1 和 1R 、 1S 表达内部逻辑之间的关联关系。

C 表示这种关联属于控制类型，其后缀用标识序号"1"表示该输入的逻辑状态对所有以"1"作为前缀的输入起控制作用。这里因置位和复位输入均受 C1 的控制，故 S 和 R 之前分别以标识序号"1"作为前缀。图5.2.8（b）中所示的两个输出端 Q 和 Q¯ 其意义与图5.2.1（b）所示基本 SR 锁存器相同。

——4）门控SR锁存器（CMOS门）

图5.2.10 所示是一种 CMOS 集成电路中常用的门控 SR 锁存器晶体管级电路。

它仅用6个 NMOS 管和两个 PMOS 管便实现了图5.2.8（a）所示的两个与门和两个或非门的逻辑功能，而没有使用标准 CMOS 门电路，从而省却了一些 PMOS 晶体管。

由于一般 CMOS 与或非门中的 PMOS 管占据芯片的面积远大于相应的 NMOS 管，所以图5.2.10所示电路的简化有效缩小了锁存器在集成电路芯片中所占的空间。

在正常逻辑状态下，该电路只在状态转换瞬间存在一定的工作电流，静态功耗极微。但需要注意，如果在 E=1 的同时 S=R=1 ，则 T1∼T3 和 T5∼T7 均处于导通状态，将使电路功耗剧增。因此，在集成电路结构设计时就必须考虑到严格遵守 SR=0 的约束条件，保证在任何时候都不出现 S=R=1 的情况。

【2-3】D锁存器

与 SR 锁存器不同， D 锁存器在工作中不存在非定义状态，因而得到广泛应用。

目前， CMOS 集成电路主要采用传输门控 D锁存器和逻辑门控 D 锁存器两种电路结构形式，特别是前者电路结构简单、在芯片中占用面积小而更受青睐。

——1）传输门控 D锁存器

在图5.1.1的双稳态电路中插入两个传输门TG1和TG2，则可构成如图5.3.1（a）所示的传输门控 D锁存器，图5.3.1（b）所示是它的逻辑符号。

锁存器有两个输入端∶使能端 E 和数据输入端 D 。

当 E=1 时， C¯=0 ， C=1 ，TG1导通，TG2断开，如图5.3.2（a）所示。

输入数据 D 经 G1 、 G2 两个非门，使 Q=D ， Q¯=D¯ 。显然，这时 Q 端跟随输入信号 D 的变化。

当 E=0 时，C¯=1 ， C=0 ，TG1断开，TG2导通，如图5.3.2（b）所示，其原理与图5.1.1所示双稳态电路相同。

由于G1 、 G2输入端存在的分布电容对逻辑电平有暂短的保持作用、在两个传输门状态转换瞬间并不影响电路的输出状态。之后，电路将被锁定在 E 信号由1变0前瞬间 D 信号所确定的状态，在 E=0 的条件下可保持锁存器状态不变，使1位二进制数据得以存储。

表5.3.1概括了 D 锁存器的功能。由于这种锁存器在 E=1 时 Q 端可跟随 D 端的逻辑状态变化，故又称为透明锁存器。

——2）逻辑门控D锁存器

图5.3.3所示为逻辑门控 D 锁存器的逻辑电路，它在门控 SR 锁存器的 S 和 R 输入端之间连接了一个非门G5，从而保证了 SR=0 的约束条件，消除了可能出现的非定义状态。

逻辑门控 D 锁存器的原理分析如下：

由上述分析可知，图 5.3.3 所示电路的逻辑功能与表5.3.1描述的一致。

又由于它的逻辑功能与传输门控 D 锁存器完全相同，所以逻辑符号亦相同。

——3）74HC/HCT373（8D锁存器）

图5.3.5为中规模集成的 CMOS 八 D 锁存器 74HC/HCT373 的内部逻辑图，其核心电路是8个如图5.3.1（a）所示的传输门控 D 锁存器。

8个锁存器共用同一对互补的传输门控制信号 C 和 C¯ ，这对信号又由锁存使能信号LE 所驱动。

当 LE 为高电平时，允许各 D 锁存器的输出跟随相应输入信号的变化； LE 为低电平时则保持状态不变。

8个 D 锁存器输出端都带有【三态门】，当输出三态门使能信号 OE¯ 为低电平时，三态门有效，输出锁存的信号；当 OE¯ 为高电平时，输出处于高阻状态。

这种三态输出电路，一方面提高了对负载的驱动能力，在锁存器与输出负载之间起到隔离作用，避免因负载变化而影响锁存器的动态特性；更重要的是使 74HC/HCT373 可以方便地应用于微处理机或计算机的总线传输电路。

根据LE 和OE¯的不同逻辑电平， 74HC/HCT373 可分为三种工作模式∶

①使能和读锁存器（传送模式）

②锁存和读锁存器

③禁止输出

表5.3.2 所示为其功能表。

【2-4】锁存器的动态特性

——1）基本SR锁存器的动态特性

此前的讨论仅考虑了电路的逻辑关系，没有涉及门电路输出信号对输入信号的【时间延迟】，即电路的【动态特性】，而构成图5.2.1（a）所示电路的两个或非门在工作时都存在一定的【传输延迟】。

当输入信号 S 或 R 变为高电平后，输出信号 Q 或 Q¯ 需要经过一定延迟才会产生变化。

这种延迟有时会影响到被其驱动的后续电路的动作，可能造成错误的逻辑输出或出现工作不稳定的情况。此外，为保证锁存器状态可靠转换，对输入信号也需要有一定的时间要求。

定时图是表达时序电路动态特性的工具之一，它表达了电路动作过程中，输出对输入信号响应的延迟时间，以及对各输入信号的时间要求。图5.2.4是基本 SR 锁存器的定时图。

图中，脉冲信号的上升沿和下降沿均用斜线表达，表示存在一定的上升时间和下降时间，脉冲沿的【基准时间】定位在上升沿和下降沿的 50%。

传输延迟时间 tpLH 和tpHL

如图5.2.4所示，当置1信号 S 上升为高电平时，需要一定的传输延迟时间tpLH之后， Q 端才转换为高电平。同样，置0信号 R 作用于电路， Q 端电平也经一定的传输延迟时间 tpHL 才变化为0。 Q¯ 端的变化相对于输入信号 S 或 R 的变化也存在一定的传输延迟。

这里，把tpLH和tpHL定义为基本 SR 锁存器的传输延迟时间。对于具体电路，由于信号通过的路径不同，tpLH和tpHL一般不完全相等。

脉冲宽度 tw

基本 SR 锁存器工作时，必须保证 S 和 R 的高电平脉冲宽度不小于某一最小值tw。

例如，图5.2.4中的tw1和tw2均满足要求，从而电路能可靠地实现翻转。如果加在 S 或 R 端的脉冲宽度过窄，如图5.2.4所示宽度为tw3的【窄脉冲】，在 Q 端电压尚未越过逻辑阈值电平时， S 端的高电平就被撤除，电路可能又回到原来的状态，或者使Q的最终状态不能确定。

所以基本 SR 锁存器应用中要求输入信号 S 和 R 的脉冲宽度必须不小于一个最低限值tw，才能保证在 S 或 R 脉冲作用之后有确定的状态。