解读从CMOS到触发器 锁存器常见结构与锁存器应用

作者 IC_learner 在此特别鸣谢

主要内容：

·双稳态器件

·锁存器常见结构

·锁存器的应用

·触发器

·触发器的建立时间和保持时间

1、双稳态器件

**双稳态器件**是指稳定状态有两种，一种是0，一种是1的器件；双稳态器件是存储器件的基本模块，双稳器件的的一种电路结构是：交叉耦合反相器 结构，如下图所示：

连个反相器连在一起,这就构成了一个双稳态器件，为什么是双稳态呢？我们现在就来分析一下：

由于没有输入，于是我们就假设I1的输出先为1，即Q=1；那么I2的输入为1，Q’就为0，于是反馈给Q的输入，导致Q的输出为1，也就是使得Q的状态稳定为1，因此这个器件有一个稳定的状态为1.如下图所示：

我们再假设I1的输出先为0，即Q=0；那么I2的输入为0，Q’就为1，于是反馈给Q的输入，导致Q的输出为0，也就是使得Q的状态稳定为0，因此这个器件还有一个稳定的状态为0.如下图所示：

由此可见，这种交叉耦合反相器的器件是双稳态器件。但是需要注意的是，电路有可能存在第三种状态，称为 亚稳态 ，它不是一种稳定的状态，关于亚稳态我们后面会进行介绍。

为什么介绍双稳态器件呢？那是因为锁存器、寄存器都是双稳态器件，它们都有两个稳定状态1和0。正是因为它们有两个稳定的状态，因此才可以拿它们来存储数据，也就是说双稳态电路（比如交叉耦合反相器、锁存器和寄存器）可以存储数据。下面我们就来看看锁存器和寄存器吧。

2、常见的锁存器结构

很显然，上面的那种交叉耦合反相器没有输入，是存储不了输入的数据的了，因此就需要有输入的类似“ 交叉耦合反相器 ”结构的双稳态电路，锁存器应运而生了，最常见最基本的锁存器是S-R锁存器，然后常见常用的锁存器是D锁存器，下面就逐步看看他们的结构和工作原理吧。

①SR锁存器

在数字电路里面，SR锁存器是最简单的时序单元，它由一对交叉耦合的或非门构成，如下所示：

主要功能就是通过输入的S、R端分别控制Q进行置位（set）和复位（reset）。下面我们就对这个电路的分析：

二输入或非门的功能是，只要有一个输入为1，输出就为了0。这SR锁存电路在正常情况下，输入RS的组合之一4种可能，即00、01、10和11，下面我们就来看看这4种输入对输出Q的影响：

· 输入R=0，S=0时：对于或非门N1，输入是0和Q’，由于Q’不知道是0还是1，因此Q的输出不能确定；对于或非门N2，输入是0和Q，由于不知道Q的值，因此Q’也不能确定...这就无限循环下去了，于是我们像**交叉耦合反相器**那样进行输出假设：

**A** ，假设原来的状态Q=0时，对应的原来状态就是Q’=1；那么N2的输入就是0和0，输出Q’=1，这样子就巩固了原来的状态Q’=1；Q’=1，对于N2，输入就是0和1，输出Q=0，也巩固了原来的状态，也就是与原来的假设一致。所以这个状态可以稳定下来，也就是当输入SR=00时，输出Q=1，Q’=0是可以存在的，如下图所示：

B ，假设原来的状态Q=1时，对应的原来状态就是Q’=0；那么N2的输入就是0和1，输出Q’=0，这样子就巩固了原来的状态Q’=0；Q’=0，对于N2，输入就是0和0，输出Q=1，也巩固了原来的状态，也就是与原来的假设一致。所以这个状态可以稳定下来，也就是当输入SR=00时，输出Q=0，Q’=1是也是可以存在的，如下图所示：

由此可见，只要原来的状态一定了，那么输入SR=00时，输出也就是原来的状态。

·输入S=1，R=0时，根据或非门的功能，由于S=1，N2的输出Q’= 0；于是N1的输入就是00，输出Q就等于1；然后Q=1反馈回N2的输入，让N2的输出稳定为0，从而让Q的输出稳定为1；输入SR=10时，输出Q=1，称为置位功能。（这里我们看一下，在SR=10时，S的信号稳定多久输出Q和Q’才稳定下来：S=1到来，首先经过N2的门延时t1，然后是Q’反馈回N1的线延时t2，接着是N1的门延时t3，再然后是Q反馈回N2的门延时t4，也就是有2个门延时和两个线延时，这是对于Q’的；对于Q还有增加一个N2门延时和一个Q’反馈回N1输入的线延时）如下图所示：

从上面的分析中，我们知道输入S=1,R=0时，输出Q=1，也就是置位的功能。

·当S=0，R=1时，这种情况跟SR=10类似，只不过是输出Q=0，也就是复位的功能。

·当S=1，R=1时，根据或非门的功能知道，输出Q=0，Q’=0。很显然这时候Q=Q’了，这跟我们给输出取值的字面意义是相反的，我们把这种状态称为**错误**输出，这是要注意的。这里需要说明的是，S和R都有效是没有意义的，锁存器不能同时被复位和置位，这样会引起输出都是0的混乱电路反应。

通过上面的分析，我们知道，SR锁存器可以具有锁存数据的功能：在S有效时，复位输出Q=1;在R有效时，输出复位Q=0;当S和R都无效时，就会保持前一个状态的输出。

②D锁存器

虽然SR锁存器可以锁存数据，电路结构也简单，但是有一个毛病就是S和R同时有效时，输出错误，使用不够方便；还有一个问题就是某个时候存某个数据分不开，相当于时间和内容不够清晰。因此就因此了D锁存器，D锁存的功能是在时钟高/低电平的时候通过数据，在时钟低/高电平的时候锁存数据（这样就明确地说明了什么时候锁存什么数据，而不是像SR锁存器一样，不知道锁存什么数据），具体的结构图和分析如下所示：

D锁存器常见结构和电路符号图如下所示：

可以看到，D锁存器可以分为前级门电路（两个与门和一个非门）和后级SR锁存器组成，（PS：反相器2个晶体管，两个与门共12个晶体管，两个或非门共8个晶体管，D锁存器一个22个晶体管）下面我们就来分析一下它的功能：

输入是Clk和D，也就是输入有四种可能：

·当clk=0时，红S红R都为0，也就是SR锁存器的输入为00，根据SR锁存器的功能，输出Q和Q’将保持原来的状态；因此clk=0时，不管D是什么，输出Q和Q’都不随D变化，只与原来的状态有关，也就是保持。

·当clk=1时，R=(1·D’)=D’；S=(1·D)=D。

也就是说，当clk=1的时候，SR锁存的输入是互补的，不会出现S和R同时有效的情况。当D=1时，S=1，置位有效，输出Q=1；当D=0时，R=1，复位有效，输出Q=0；因此就可以知道，在clk=1时，输出Q=D，也就是输出等于输入。

通过上面的分析，上面的D锁存器结构功能为：在clk=1时，数据通过D锁存器流到了Q；在Clk=0时，Q保持原来的值不变。这样的锁存器也称为透明锁存器或者**电平**敏感锁存器（这里需要注意的是，上面结构中 **电平敏感锁存器是高电平敏感** ，**也是就是高电平有效，这里的有效不是指“锁存”的这个功能有效，而是指输出发生变化即输入信号得以传送到输出，方便后面的锁存操作**）。然后低电平敏感的D锁存器的电路结构这里就不介绍了。

3、D锁存器的应用

锁存器用来锁存数据，这是初始的功能应用，这里来聊聊锁存的其他的简单应用吧。

①锁存器的常用应用就是用来防电路毛刺了，具体的应用就是门控时钟了，这里请查看我的另外一篇博文，那里有较为详细的关于门控电路的描述。

②此外，锁存器可以用来构造触发器，这个我们在后面的触发器中进行介绍。

③锁存器的一种叫做锁定锁存器（ lockup latch）的玩意用于修复扫描链插入时引起的时钟偏移问题，帮助修复保持时间违规

④类似通过修复保持时间来增强性能、锁存器流水线的应用，这些应用很难三言两语的说明，有些我也不是完全掌握，以后有时间再进行撰写。

4、（D）触发器

触发器有很多类型，比如J-K触发器、T触发器、D触发。前面我们也说了，锁存器的应用之一就是构成触发器，这里我们只聊最简单的触发器——D触发器，D触发器的结构和电路符号图如下所示：

D触发器可以由两个D锁存器构成，驱动时钟的相位相反（也就是），前面的D锁存器称为主锁存器，后面的D锁存器称为从锁存器，因此D触发器也可以称为主从触发器（PS：两个D锁存器共44个晶体管，非门2个晶体管，因此D触发器46个晶体管）。下面我们分析一下D触发的功能：

假设要传输的数据D=D1：在(clock简称clk)**clk=0**的时候，主锁存打开进行传输数据，把输入传送到从到从锁存器的输入端，即Qm = D1。然后**clk从0→1**的时候，主锁存器准备关闭，保持原来的值D1，与此同时从锁存器准备打开，把Qm的值传输到输出Qs，也就是Qs=Qm=D1。在**clk=1**的时候，主锁存器是关闭的，Qm保持D1不变，即Qm=D1；从锁存器是打开的，Qs=Qm=D1。接着**clk从1→0**的时候，主锁存器准备打开，准备传输数据；而从锁存器准备关闭。在clk=0的时候，主锁存打开进行传输数据，把输入传送到从到从锁存器的输入端，即Qm *= D2；与此 **同时** ，从锁存器关闭，由于新的Qm即Qm*还没有到达从锁存器的D端，因此在从锁存器关闭的时候，从锁存器锁存的是原来的值即D1，因此输出Qs =D1。然后接下来上升沿就传输D2....

从上面的分析可以找到，D触发器在时钟上升沿的时候锁存在时钟上升沿采到的值，并且保持一个时钟周期。这种在时钟上升沿锁存数据的触发器称为正边沿触发器，与此对应的还有负边沿触发的触发器，这里就不进行介绍了。

由D触发器延伸出去的知识点还有很多，比如寄存器，寄存器由多个D触发器构成（一个D触发器可以看做1位的寄存器）；比如带使能的触发器：

带复位的触发器：

OK，触发器的结果和功能就聊到这里，接下来我们来聊聊触发器的建立时间（setup time）和保持时间(hold time).

5、（D）触发器的建立时间和保持时间

首先我们来看看建立时间和保持时间的定义，然后再看看为什么会这样。

**建立时间** ：时钟有效沿到来之前的某段时间内，数据必须稳定，否则触发器锁存不住数据，这段时间成为建立时间，用Tsetup或者Tsu表示，也就是说要锁存的数据必须比上升沿早来时间必须大于建立时间。

**保持时间** ：时钟有效沿到来之后的某段时间内，数据也必须稳定，否则触发器锁存不住数据，这段时间成为保持时间，用Thold或者Th表示。也就是说，要锁存的数据，在上升沿到来之后，还要停留比保持时间大的时间。

如下图所示：

在第二个时钟上升沿的时候，要锁存住输入端D的高电平，D1是满足了建立时间和保持时间的情况；而D2则是建立时间没有满足，因此不能成功锁存住输入的高电平；D3保持时间不满足，也不能成功锁存输入的高电平。

下面我们就来探讨一下为什么会会有建立时间和保持时间的要求（别跟我说不满足要求就不能锁存正确数据，我要的是根本原因，不是后果，也就是为什么不满足建立/保持时间会导致不能捕获正确锁存数据的原因）：

首先D触发器的门级结果如下所示：

我们知道D触发器是在（上升）边沿进行锁存数据的，也就是clk从在0→1的时候锁存数据，那我们就看看这个上升沿的时候发生了什么：

假设原来的数据是1（也就是从锁存器锁存的数据是1），然后我们要锁存的数据是0。我是这么理解建立时间和保持时间的：

首先，要让时钟上升沿之后Q输出为了，就是要让从锁存器输出为0，即是要主锁存器在时钟上升沿之后稳定地锁存住0，换个角度看就是：在上升沿到来以及到来之后，主锁存器负责锁存数据，而从锁存器则是负责传输 主锁存器所锁存好的 数据；这样一来，我们的研究重点就放在了 主锁存器 。

对于主锁存器，我们可以看这个图：

在时钟上升沿到来后，我们要让 Q输出0 。假如数据的建立时间不足，会发生什么呢，也就是数据（0）相对于时钟上升沿来得太晚了会怎么样呢？

假设在T=0ns的时候，clk从0变成1（为方便分析，假设时钟是理想的，没有跳变延时）。我们假设一个数据D1=0在 **T=-0.7ns（即比时钟上升沿提前0.7s）** 的时候到达数据的端口，然后另一个数据D2=0在**T=-0.3ns**的时候才来到数据端口（也就是说，D1来得早，而D2来得比较晚即建立时间不足）。然后D1这个0翻山越岭越过了反相器，变成1，经过了与门（由于与门的另一个输入为1）变成了1，经过或非门之后，使输出Q变成了0，也就是变成了从锁存器要锁存的0值。然后主锁存器Q刚输出0的时候，还不稳定，需要通过反馈使得自己的或非门的输入为1就是需要t1+t2+t3的时间（如下图所示）进行维持Q的稳定。

然后我们再看看D2数据翻山越岭，刚刚翻到与门那里，时钟沿就来了，它都 没有成功到达或非门输入 。于是D2就肯定达不到目标了，也就是变不成了从锁存器要锁存的0值，这就是建立时间不足的引起锁存不住值的问题。

接着我们看一下 保持时间 ，还是从主锁存器这边看。加入0时刻时钟clk发生0→1的上升沿跳变时候，clk的1信号首先需要经过反相器（inst10）变成0信号后传到后面的与门（inst13和inst14）。信号从时钟端口到达与门需要经过t1的延迟时间（如下图所示）即他t1时刻与门的输入就为低电平0。那么在这个t1时刻之前，与门的输入端clk始终保持高电平1； 在t1时刻之前 ，如果输入端D发生跳变，也就是从0变成1（也就是低电平0这个信号保持得不够久，由于某些原因被冲成了高电平1），变换后的数据端高电平1经过t2延时之后，到达与门的另一个输入端。当t2

因此我们需要输入D在时钟沿跳变之后保持不变，这个保持时间的实质就是这个t1与t2的差值，即数据到达之后，要保持t1-t2。假如这跟导线很长，即t2的延迟很长，比t1还长，那么保持时间就是一个负值，这时候就完全没有必要关注保持时间了，而是关注建立时间了。

从上面的分析可以知道，保持时间一般情况下会比建立时间小。