一种复用两数据输入主从型D触发器
技术领域
本发明设计了一种复用两数据输入主从型D触发器,主要用于数字电路设计领域。
背景技术
随着CMOS工艺的发展,芯片制造早已进入亚微米水平,目前最先进的工艺甚至已经小于15nm,按照摩尔定律的预测,2015年单颗集成电路上可容纳的晶体管数量将超过26亿。目前数模混合工艺芯片是芯片设计制造领域的主流,一般来说,数字电路的版图能占到芯片整体面积的60%以上。因此,在不影响芯片性能的前提下,减小数字电路的面积将大大降低芯片的制造成本,同时也会有效的减少芯片的功耗。
D触发器是数字系统中重要的时序器件,在时钟分频和数据锁存应用中必不可少,同时由于该器件包含的管子数量众多,因此减少D触发器的数量能有效的减小芯片的面积。
传统的D触发器参见图1。传统D触发器都是单数据输入,只能实现对单通道数据的锁存。主锁存电路由第一PMOS管~第四PMOS管及第一NMOS管~第四NMOS管组成,从锁存器由第五PMOS管~第八PMOS管及第五NMOS管~第八NMOS管组成。为了对输出信号进行整形及增大输出信号的驱动能力,在输出端可以加两组反相器或缓冲器。
传统的D触发器和本发明相比,有两个缺点:其一是传统D触发器为单数据输入结构,如果实现双数据输入,不可避免要使用两组D触发器,如此一来势必会增加MOS管数量,在D触发器大量使用的条件下,多余MOS管造成的芯片面积浪费不可忽视;其二是传统的D触发器采用一个传输门与两个反相器组成锁存电路,该结构的锁存电路在版图实现时会产生比较大的寄生电容,响应速度慢。
发明内容
针对传统D触发器存在的不足,本发明提供一种复用两数据输入主从型D触发器,占用更小的版图面积,且响应速度更快。
本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种复用两数据输入主从型D触发器,包括:数据输入选择电路、主锁存电路和从锁存电路。
所述的数据输入选择电路由PMOS管第一PMOS管~第五PMOS管及第一NMOS管~第五NMOS管组成,其中第一PMOS管的栅极接数据选择控制信号,源极接电源,漏极接第三PMOS管的源极;第三PMOS管的栅极接第二数据输入端,漏极接第五PMOS管的源极;第二PMOS管的栅极接第一数据输入端,源极接电源,漏极接第四PMOS管的源极;第四PMOS管的栅极接数据选择控制信号的反相信号,漏极接第五PMOS管的源极;第五PMOS管的栅极接时钟信号,漏极接第五NMOS管的漏极;第五NMOS管的栅极接时钟信号的反相信号,源极接第三NMOS管的漏极;第三NMOS管的栅极接第二数据输入端,源极接第一NMOS管的漏极;第一NMOS管的栅极接数据选择控制信号的反相信号,源极接地;第四NMOS管的栅极接数据选择控制信号,漏极接第三NMOS管的漏极,源极接第二NMOS管的漏极;第二NMOS管的栅极接第一数据输入端,源极接地。
所述的主锁存电路由第六PMOS管~第八PMOS管及第六NMOS管~第八NMOS管组成,其中第六PMOS管的栅极接第八PMOS管的漏极,源极接电源,漏极接第七PMOS管的源极;第七PMOS管的栅极接时钟信号的反相信号,漏极接第五NMOS管的漏极;第七NMOS管的栅极接时钟信号,漏极接第五NMOS管的漏极,源极接第六NMOS管的漏极;第六NMOS管的栅极接第八PMOS管的漏极,源极接地;第八PMOS管的栅极接第五NMOS管的漏极,源极接电源,漏极接第八PMOS管的漏极;第八NMOS管的栅极接第五NMOS管的漏极,漏极接第八PMOS管的漏极,源极接地。
所述的从锁存电路由第十PMOS管~第十二PMOS管及第十NMOS管~第十二NMOS管组成,其中第十一PMOS管的栅极接电路输出端口Q,源极接电源,漏极接第十PMOS管的源极;第十PMOS管的栅极接时钟信号,漏极接电路输出端口QN;第十NMOS管的栅极接时钟反相信号,源极接第十一NMOS管的漏极,漏极接输出端口QN;第十一NMOS管的栅极接输出端口Q,源极接地;第十二PMOS管的栅极接输出端口QN,源极接电源,漏极接输出端口QN;第十二NMOS管的栅极接输出端口QN,源极接地,漏极接输出端口Q。
优选地,所述一种复用两数据输入主从型D触发器还具有第一输入信号处理电路,所述第一输入信号处理电路包括第十三PMOS管和第十三NMOS管,其中第十三PMOS管的栅极接数据选择信号,源极接电源,漏极接数据选择的反相信号;第十三NMOS管的栅极接数据选择信号,源极接地,漏极接数据选择的反相信号。
所述传输门由第九PMOS管和第九NMOS管组成,第九PMOS管的栅极接时钟信号的反相,源极接输出端口QN,漏极接第八PMOS管的漏极;第九NMOS管的栅极接时钟信号,源极接输出端口QN,漏极接第八PMOS管的漏极。
优选地,所述一种复用两数据输入主从型D触发器还具有第二输入信号处理电路,所述第二输入信号处理电路由第十四PMOS管和第十四NMOS管组成,其中第十四PMOS管的栅极接时钟信号,源极接电源,漏极接时钟的反相信号,第十四NMOS管的栅极接时钟信号,源极接地,漏极接时钟信号的反相。
本电路采用数据输入选择电路、主锁存电路和从锁存电路。两组数据首先进入数据输入选择电路,在输入选择信号的控制下只选通一路数据进入到锁存电路,也就是说同一时刻有且只有一路数据能进入主从型D触发器。之后数据在时钟信号的控制下由主锁存器流入从锁存器,并输出给后续电路,实现主从型D触发器的复用。
因此,本发明占用了比传输门更小的版图面积,减小了寄生电容,提升了电路响应速度。
附图说明
图1为传统的主从型D触发器示意图;
图2为本发明复用两数据输入主从型D触发器示意图;
图3为本发明复用两数据输入主从型D触发器逻辑示意图;
图4为本发明工作状态时的时序图。
附图标记说明:PM1~PM14—第一PMOS管~第十四PMOS管,NM1~NM14--第一NMOS管~第十四NMOS管,D、D0—第一数据输入端,D1—第二数据输入端,QN、Q—数据输出端,CK—时钟输入端,CKN—时钟的反相信号,S—数据选择控制输入端,SN—数据选择控制信号的反相信号。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施进行详细说明。
请参阅图2,图2为复用两数据输入主从型D触发器的示意图,包括:数据输入选择电路、主锁存电路和从锁存电路。
所述的数据输入选择电路由第一PMOS管~第五PMOS管及第一NMOS管~第五NMOS管组成,其中第一PMOS管的栅极接数据选择控制信号,源极接电源,漏极接第三PMOS管的源极;第三PMOS管的栅极接第二数据输入端,漏极接第五PMOS管的源极;第二PMOS管的栅极接第一数据输入端,源极接电源,漏极接第四PMOS管的源极;第四PMOS管的栅极接数据选择控制信号的反相信号,漏极接第五PMOS管的源极;第五PMOS管的栅极接时钟信号,漏极接第五NMOS管的漏极;第五NMOS管的栅极接时钟信号的反相信号,源极接第三NMOS管的漏极;第三NMOS管的栅极接第二数据输入端,源极接第一NMOS管的漏极;第一NMOS管的栅极接数据选择控制信号的反相信号,源极接地;第四NMOS管的栅极接数据选择控制信号,漏极接第三NMOS管的漏极,源极接第二NMOS管的漏极;第二NMOS管的栅极接第一数据输入端,源极接地。
所述的主锁存电路由第六PMOS管~第八PMOS管及第六NMOS管~第八NMOS管组成,其中第六NMOS管的栅极接第八PMOS管的漏极,源极接电源,漏极接第七PMOS管的源极;第七PMOS管的栅极接时钟信号的反相信号,漏极接第五NMOS管的漏极;第七NMOS管的栅极接时钟信号,漏极接第五NMOS管的漏极,源极接第六NMOS管的漏极;第六NMOS管的栅极接第八PMOS管的漏极,源极接地;第八PMOS管的栅极接第五NMOS管的漏极,源极接电源,漏极接第八PMOS管的漏极;第八NMOS管的栅极接第五NMOS管的漏极,漏极接第八PMOS管的漏极,源极接地。
所述的从锁存电路由第十PMOS管~第十二PMOS管及第十NMOS管~第十二NMOS管组成,其中第十一PMOS管的栅极接电路输出端口Q,源极接电源,漏极接第十PMOS管的源极;第十PMOS管的栅极接时钟信号,漏极接电路输出端口QN;第十NMOS管的栅极接时钟反相信号,源极接第十一NMOS管的漏极,漏极接输出端口QN;第十一NMOS管的栅极接输出端口Q,源极接地;第十二PMOS管的栅极接输出端口QN,源极接电源,漏极接输出端口QN;第十二NMOS管的栅极接输出端口QN,源极接地,漏极接输出端口Q。
还具有第一输入信号处理电路、第二输入信号处理电路及传输门;所述第一输入信号处理电路包括:第十三PMOS管和第十三NMOS管,其中第十三PMOS管的栅极接输入选择控制信号,源极接电源,漏极接输入选择控制信号的反相;第十三NMOS管的栅极接输入选择控制信号,源极接地,漏极接输入选择控制信号的反相。
所述传输门由第九PMOS管和第九NMOS管组成,第九PMOS管的栅极接时钟反相信号,源极接输出端口QN,漏极接第八PMOS管的漏极;第九NMOS管的栅极接时钟信号,源极接输出端口QN,漏极接第八PMOS管的漏极。
所述第二输入信号处理电路由第十四PMOS管和第十四NMOS管组成,其中第十四PMOS管的栅极接时钟信号,源极接电源,漏极接时钟信号的反相,第十四NMOS管的栅极接时钟信号,源极接地,漏极接时钟信号的反相。
如图2-4所示,当数据选择控制信号为高时,MOS管第一PMOS管和第一NMOS管断开,第四PMOS管和第四NMOS管导通,此时数据通道D0被选通,当时钟CK为低电平的时候,MOS管第五PMOS管和第五NMOS管导通,数据D0进入主锁存器,但由于第七PMOS管和第七NMOS管处于截止状态,因此此时主锁存器并不能对输入的数据进行锁存,输入数据D0的任何变化都会导致从锁存器内的数据进行反相变化。此时由第九PMOS管和第九NMOS构成的传输门处于断开状态,数据D0被截止在主锁存器中,CK为低又导致第十PMOS管和第十NMOS管处于导通状态,因此从锁存器可以对上一时刻的数据进行有效保存。当时钟信号CK为高时,第五PMOS管和第五NMOS管截止,数据D0被阻挡于主锁存器外,此时主锁存器中锁存的是时钟上升沿的数据,由于第七PMOS管和第七NMOS管处于导通状态,此时主锁存器可以对时钟上升沿时刻的输入数据进行锁存,由第九PMOS管和第九NMOS构成的传输门也处于导通状态,数据D0通过输出端口输出给后续电路。
当数据选择控制信号S为低时,数据通道D1被选通,主从型D触发器的工作方式与上一致,通过S的控制实现主从型D触发器的复用。
同时,本实施例除了主从锁存器的连接使用了传输门外,其他部分用三态门替代了传输门和反相器,该结构能在版图布局时减小寄生电容。因此,本发明在更小的面积上实现了主从型D触发器的复用,减少了寄生电容,从而增加响应速度。
图4是图2所示电路的仿真波形图。图4中v(q)表示图2中输出端口Q的波形,v(d1)表示图2中输入端口D1的波形,v(d0)表示图2中输出端口D0的波形,v(s)表示图2中输入端口S的波形,v(ck)表示图2中输入端口CK的波形。可以看出,当选择信号S为高的时候,数据输出端口Q采样输出通道D0的数据,当选择信号S为低的时候,数据输出端口Q采样输出通道D1的数据。
以上各图只是本发明的实施方式之一,应当指出,在不脱离本发明原理的前提下,对电路的简单改进及修饰,例如更改输入数据选择电路和三态门的实现方式等,都应视为本发明的保护范围。