Динамічні елементи і тригери

Особливістю МДН-транзисторів порівняно з біполярними є високий вхідний опір. Завдяки цьому у мікросхемах на МДН-транзисторах достатньо просто реалізується динамічний принцип зберігання інформації, застосування якого дозволяє зменшити потужність споживання та площу реалізації на кристалі. Використання цього принципу покладено у основу створення динамічних логічних елементів, що зберігають значення логічної функції впродовж достатньо тривалого часу t_зб після зміни вхідних сигналів. По закінченні часу t_зб стан динамічного елементу змінюється, і інформація втрачається.

Отже динамічні елементи не тільки виконують логічні функції, а і дають змогу впродовж певного часу зберігати значення логічної функції. Для того, щоб інформація зберігалася як завгодно довго, треба її періодично поновлювати шляхом подавання зовнішніх імпульсів, період яких менше t_зб. Ці імпульси одночасно виконують функції синхронізації, яка здійснюється шляхом підключення (та відключення) відповідних елементів до кола живлення. При цьому елементи споживають потужність від джерела живлення періодично, впродовж відносно коротких проміжків часу, коли відбувається перемикання елементів або відновлення інформації. В результаті пристрої на динамічних елементах споживають малу потужність при низьких частотах перемикання.

Uдж tc t1c t0c VT2 С UC t VT3 UD t VT1 A Q UA U1 t D Сз1 Сз2 UQ U0 U1 t   а б Мал.13.6. Схема двохфазного динамічного елементу (а) та його часова діаграма (б).

У сучасних цифрових мікросхемах найчастіше використовується двохфазна або чотирьохфазна синхронізація. Схема динамічного МДН-елементу (мал.13.6,а) складається з логічного елементу – інвертора (транзистори VT1, VT2) і проміжного ключа (транзистор VT3), який разом з запам’ятовуючими ємностями С_з1 і С_з2 забезпечує необхідну затримку вихідного сигналу. На затвори навантажувального транзистора VT2 і ключового транзистора VT3 подається послідовність синхроімпульсів С. Робота елементу ілюструється часовими діаграмами на мал.13.6,б.

При зростанні потенціалу U_вх на вході D вище порогу перемикання V_п = U₀, де U₀ - порогова напруга МДН-транзистора, відкривається транзистор VT1 і ємність С_з1 розряджається приблизно до нульового потенціалу. При надходженні синхроімпульсу амплитудою U_с > U₀ відкриваються транзистори VT2 і VT3 і на виході Q встановлюється низький потенціал. По закінченні синхроімпульсу транзистори запираються. Низький рівень потенціалу на виході Q поступово зростає, оскільки заряджається ємність С_з2 через так званий опір витоку. Щоб не відбулася втрата інформації, тобто не відбулося хибного перемикання елементу внаслідок зростання вихідної напруги до рівня U_вих > U₀, треба своєчасно подати наступний синхроімпульс. Це призведе до повторного розряду ємності С_з2, і інформація буде зберігатися.

Uдж   C 1 &   & VT2 С VT3 C A F VT1 F=AB D B D A D B б а Мал.13.7. Схема двохфазного динамічного елементу І-АБО-НІ (а) та його умовне позначення (б).

При зменшенні потенціалу на вході D до низького рівня транзистор VT1 запирається. При наступному надходженні синхроімпульсу і відкриванні транзисторів VT2, VT3 ємності С_з1, С_з2 заряджаються. У паузі між синхроімпульсами ємність С_з2 поступово розряджається, але з надходженням наступного синхроімпульсу її заряд поновлюється. Таким чином можна виділити два режими роботи: С = 1 (наявність синхоімпульсу) – приймання інформації, С = 0 (відсутність синхроімпульсу) – зберігання інформації.

C2 Uдж C1 VT2 С VT5 VT8 VT3 VT6 VT9 VT1 A VT4 В VT7 Q2 Q1 D Сз1 Сз3 Cз2 Сз4 а С1 С2 A Q2 B Q1 D   б C1   t C2 t D t A t Q2 t B t Q1 t в Мал.13.8. Принципова схема динамічного D-тригера (а), структурна схема (б), часові діаграми (в).

Використовуючи паралельне та послідовне вмикання керуючих транзисторів VT1, отримують динамічні елементи, виконуючі різні логічні функції. Приклад динамічного елементу І-АБО-НІ наведений на мал.13.7.

При з’єднанні декількох динамічних елементів необхідно у послідовно включених елементах розділити за часом фази приймання і зберігання інформації. Для цього використовують дві послідовності синхроімпульсів: С₁ і С₂. Усі елементи пристрою поділяються на дві групи таким чином, щоб з кожних двох послідовно з’єднаних елементів один належав до однієї групи, а інший до другої.

Кожний такт роботи пристрою, відповідаючий одному періоду синхроімпульсів, складається з двох фаз. Впродовж першої фази відбувається перемикання елементів першої групи, а елементи другої знаходяться у режимі зберігання інформації, впродовж другої фази – навпаки. Приклад з’єднання динамічних елементів і відповідні часові діаграми показані на мал.13.8.

Розглянуті динамічні елементи відносяться до класу двохфазних. Застосовують також і чотирьох фазні елементи, що дає змогу підвищити швидкодію.