MOS動(dòng)態(tài)移位寄存器的六種特征及工作原理詳解分析

MOS動(dòng)態(tài)移位

上面所述的靜態(tài)移位寄存器，是利用靜態(tài)的R-S、J-K或D觸發(fā)器組成的，性能比較穩(wěn)定，但電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，移位速度較慢，集成度也比較低。在大規(guī)模集成電路高度發(fā)展的今天，功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、集成度高的動(dòng)態(tài)移位寄存器充分顯示了它的突出優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)移位寄存器是由動(dòng)態(tài)邏輯電路構(gòu)成的。為了理解動(dòng)態(tài)移位寄存器的工作原理，下面我們以NMOS為例，先介紹一下什么是動(dòng)態(tài)邏輯電路。

1、柵電容存貯效應(yīng)

大家知道，MOS晶體管的柵相對(duì)于半導(dǎo)體的襯底，是一個(gè)絕緣性能十分良好的電容。因此，在MOS器件的輸入端，具有存貯電荷的功能。圖3-28是用來分析柵電容存貯效應(yīng)的原理圖。圖3-28（a）是一個(gè)NMOS倒相器，其中RGs為等效輸入電阻，其阻值很高（約以上）；為柵電容（包括有關(guān)的寄生電容），其值較?。sF）。在靜態(tài)電路中，由于與對(duì)電路性能的影響不大，所以都沒有標(biāo)出。但在分析柵電容的存貯效應(yīng)時(shí)，這兩個(gè)參數(shù)就成了重要的因素。

從圖3-28（a）中看到，當(dāng)K合上，立即對(duì)充電。由于充電電阻很小，這個(gè)充電時(shí)間是很短的，柵電容上的電壓從0V很快上升到，使倒相器導(dǎo)通，輸出，其波形如圖3-23（b）所示。這樣，輸入電壓就以電荷的形式存貯在柵電容上。當(dāng)K斷開，柵電容上的電荷就只能通過放電，放電時(shí)間常數(shù)，約在數(shù)量級(jí)。這個(gè)時(shí)間相對(duì)于靜態(tài)來說是很短的，但與頻率較高的輸入信號(hào)的變化周期（例如在ns數(shù)量級(jí)）相比，卻是很長(zhǎng)的。也可以說，柵電容可以在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)貯存信號(hào)，這就是柵電容的存貯效應(yīng)。由于柵電容上的電荷要經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)漏掉，柵電壓也要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)從逐漸下降到零。因此，當(dāng)及斷開后的較長(zhǎng)時(shí)間里，輸入管是導(dǎo)通的，只有隨著電容對(duì)電阻放電，從下降到以下時(shí)，才由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。即倒相器在K斷開后，經(jīng)過時(shí)刻，輸出電壓才從“0”電平上升到“1”電平。

根據(jù)上述分析可知，只要把開關(guān)K閉合一個(gè)很短的時(shí)間，就能靠柵電容上存貯的電荷，使輸入管導(dǎo)通較長(zhǎng)時(shí)間。這就是動(dòng)態(tài)MOS電路的原理。在實(shí)際電路中，開關(guān)區(qū)的閉合是用時(shí)鐘脈沖來控制的。

2、動(dòng)態(tài)MOS基本電路

過去講過的單溝道靜態(tài)MOS電路都是有比電路，即輸出電平的大小與輸入管和負(fù)載管的跨導(dǎo)比有關(guān)。而動(dòng)態(tài)MOS電路，可分為有比電路和無比電路兩類。所謂無比電路，是指輸出電平的大小不由輸入管和負(fù)載管的跨導(dǎo)比值來決定的電路。

（1）動(dòng)態(tài)有比倒相器電路

動(dòng)態(tài)有比倒相器電路和靜態(tài)電路類似，輸入管的尺寸要比負(fù)載管大得多，要求滿足：

與靜態(tài)電路不同之處是輸入管的柵極不直接連結(jié)輸入端，而是連結(jié)受時(shí)鐘脈沖控制的門控管，相當(dāng)上面介紹的開關(guān)K，如圖3-24（a）所示。

它的工作過程是這樣的；當(dāng)輸入電壓為“1”電平時(shí)，在時(shí)鐘脈沖來到之前，由于門控管的阻隔，不能立刻導(dǎo)通。只有當(dāng)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，使導(dǎo)通，才能通過向都電容充電，并使管的柵壓上升到“1”電平，接著導(dǎo)通，輸出“0”電平。當(dāng)時(shí)鐘脈沖過去以后，恢復(fù)截止。由于柵電容的暫存效應(yīng)，對(duì)放電需要時(shí)間，所以仍保持導(dǎo)通，輸出“0”狀態(tài)在一段時(shí)間里保持不變，如圖3-24（b）所示的波形。

當(dāng)輸入電平變到“0”電平后，管不會(huì)馬上截止，要等下一個(gè)到來，管導(dǎo)通，通過放電至0，管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，輸出才跳變?yōu)椤?”電平。從圖3-24（b）中看到，輸出波形相對(duì)輸入波形延遲一段時(shí)間。

要求功耗低和集成度高的實(shí)際動(dòng)態(tài)MOS電路，一般都采用負(fù)載管的柵極不接電源而由來控制的形式，如圖3-25（a）所示。在這種電路中，負(fù)載管的柵極和門控管的柵極相連，用同一個(gè)時(shí)鐘脈沖來控制。由于只有當(dāng)出現(xiàn)時(shí)，和才導(dǎo)通，所以這種電路的功耗是比較低的。圖3-25（b）為電路工作的輸出波形，從圖中可以看出，當(dāng)輸入電平由“0”跳變到“1”時(shí)，輸入管雖然導(dǎo)通，但由于門控管的阻隔，輸出端不能為“0”電平。只有當(dāng)到來時(shí)，輸出才為“0”。所以，這種電路在時(shí)鐘脈沖的控制下，不僅能完成“倒相”作用，而且還起“延遲”作用。

（2）動(dòng)態(tài)無比倒相器電路

動(dòng)態(tài)有比電路較之靜態(tài)電路具有許多優(yōu)點(diǎn)，如功耗低、速度快、集成度高等等，但要進(jìn)一步降低功耗和提高集成度都受到了限制。因?yàn)椋瓜嗥魈幱陂_態(tài)時(shí)，從電源至地有一個(gè)直流通路，需要相當(dāng)?shù)墓?，所以它的功耗不能降到最小。另外，因?yàn)樗怯斜入娐?，要求輸入管的尺寸比?fù)載管大很多，所以集成度不能做得很高。而且，如果輸出電容近似等于輸入電容，那么倒相器的上升時(shí)間隨著輸入器件與負(fù)載器件的幾何尺寸比的增大而增加，這就限制了開關(guān)速度的提高。為了克服這些限制，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)無比電路，組成電路的輸入器件和負(fù)載器件不需要保持一定的跨導(dǎo)比，兩者的幾何尺寸可以做得一樣大。顯然，其速度、集成度可以進(jìn)一步提高，功耗可以進(jìn)一步降低。

圖3-26（a）為典型的兩相無比電路。它由輸入管負(fù)載管和寄生電容組成倒相電路，門控管和輸出電容組成輸出電路。它與圖3-25所示的有比電路的不同之處在于負(fù)載管”和門控管是由兩相時(shí)鐘分別控制的。

下面我們結(jié)合圖3-26（b）所示的工作波形來討論它的工作原理。如果在時(shí)刻，輸入為“0”電平，為“1”電平，這時(shí)截止而導(dǎo)通，對(duì)充電至，即“1”電平。在時(shí)刻，為“0”電平，跳變?yōu)椤?”電平，使管導(dǎo)通，上的電荷通過導(dǎo)通的向轉(zhuǎn)移。由于和都是寄生的節(jié)點(diǎn)電容，且設(shè)計(jì)得，所以上的電荷部分轉(zhuǎn)移給后，的變化不大。也就是后，輸出為“1”電平，它與輸入反相。在每之間，和都為“1”電平，由于兩器件尺寸相等，這時(shí)上的電壓應(yīng)為，但這時(shí)為“0”電平，T。截止，所以V。仍保持“1”電平。在之間，又變?yōu)?，使截止，而仍等于“1”電平，仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，使通過。當(dāng)時(shí)，變?yōu)椤?”，使導(dǎo)通，便經(jīng)過放電，使輸出由“1”電平變?yōu)椤?”電平，完成了輸入與輸出的倒相功能。并且輸出較輸入延遲了一段時(shí)間。

根據(jù)上述工作過程，可以更清楚地看到，倒相器輸出“0”電平的大小不由輸入管和負(fù)載管的兒何尺寸比來決定，所以輸入管和負(fù)載管的跨導(dǎo)不需要保持一定的比例關(guān)系。

從圖3-26（b）中看到，在的時(shí)間間隔內(nèi)，由于，所以和均處于導(dǎo)通狀態(tài)，倒相器仍有直流導(dǎo)通功耗。為了進(jìn)一步降低功耗，可采用圖3-27（a）所示的電路形式。在這種電路里，輸入由門控管控制，而其本身又與負(fù)載管同時(shí)由時(shí)鐘脈沖控制，而且電源直接由時(shí)鐘脈沖提供，輸入管的源極也不接地，改接時(shí)鐘脈沖。它的工作原理可利用工作波形圖來說明。

如果時(shí)，，都為“0”，。當(dāng)時(shí)，到來，便通過放電，使下降至“0”；同時(shí)通過充電，使上升至“1”。過后，截止，所以存貯電荷不變，仍為“1”電平。當(dāng)到來時(shí)，上的電荷向轉(zhuǎn)移，使輸出電壓變?yōu)椤?”。在時(shí)，變?yōu)椤?”，又來到，使又導(dǎo)通，于是充電到“1”，但因的源極接，所以在之間，不可能通過放電，繼續(xù)維持著“1”電平，輸出仍為“1”，但當(dāng)過后導(dǎo)通，便通過放電，使點(diǎn)電位下降至0。此時(shí)尚未到來，截止，不能通過放電，故輸出V。仍為“1”。當(dāng)來到，導(dǎo)通，經(jīng)過放電，使降為“0”。到這里為止，完成了倒相與延時(shí)的功能。這種倒相器的功耗電流的出現(xiàn)時(shí)間比較短，只有到來對(duì)充電時(shí)才有電流，而且任何時(shí)間都不出現(xiàn)對(duì)地的直接通路，所以功耗極小。但這種電路與圖3-26所示的電路比較，由于時(shí)鐘脈沖承擔(dān)著對(duì)電容充電的任務(wù)，所以時(shí)鐘脈沖源的負(fù)荷較重。

綜上所述，動(dòng)態(tài)電路與靜態(tài)電路相比，具有功耗低、開關(guān)速度快，同樣功能所需要的器件數(shù)少以及芯片占有面積更小的優(yōu)點(diǎn)。因此，在大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中，動(dòng)態(tài)邏輯電路常常會(huì)被采納。但是，動(dòng)態(tài)電路需要在外部有良好的時(shí)鐘控制系統(tǒng)；另外，正由于電路中柵電容存貯電荷是暫時(shí)的，所以時(shí)鐘脈沖的頻率有一個(gè)下限，這在一定程度上限制了對(duì)動(dòng)態(tài)邏輯電路的采納。

和靜態(tài)邏輯電路一樣，動(dòng)態(tài)邏輯電路除了有上述的動(dòng)態(tài)倒相器外，還可以組成各種復(fù)雜的邏輯電路，如動(dòng)態(tài)無比“與非”門、“或非”門和“與或非”門等等。

3、兩相動(dòng)態(tài)有比移位寄存器動(dòng)態(tài)

MOS倒相器既具有“倒相”的功能，同時(shí)又能起“延遲”的作用。所以，將動(dòng)態(tài)MOS倒相器串接起來，就可組成動(dòng)態(tài)MOS移位寄存器。

圖3-28（a）所示是一個(gè)兩相動(dòng)態(tài)有比移位寄存器的基本單元，稱為一位，它是由兩個(gè)動(dòng)態(tài)有比倒相器組成。前級(jí)由控制，后級(jí)由控制，虛線的左邊為主倒相器，右邊為從倒相器。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，首先存貯在的柵電容上。當(dāng)到來時(shí)，主倒相器工作，對(duì)輸入信號(hào)倒相并傳到上貯存。當(dāng)到來時(shí)，從倒相器的負(fù)載管和門控管導(dǎo)通，將上的信號(hào)再倒相并傳到輸出端輸出。從圖3-28（b）的工作波形圖看到，經(jīng)過相繼的兩個(gè)不相重疊的時(shí)鐘脈沖和作用，輸入信號(hào)就傳到了輸出端，并往后移了一位（即一段時(shí)間），完成了移位寄存的功能。

從以上分析看出，這種電路具有以下特點(diǎn)：

①移位寄存的功能主要靠柵電容暫存信號(hào)的特性來實(shí)現(xiàn)的，所以必須在動(dòng)態(tài)下工作，即要不停地有時(shí)鐘脈沖的作用。如時(shí)鐘脈沖停止或時(shí)鐘頻率過低，柵上暫存的信號(hào)電荷就要漏掉而失去了移位寄存的功能。這就決定了時(shí)鐘頻率的下限。

②各級(jí)倒相器在輸出低電平“0”時(shí)，其負(fù)載管和輸入管均處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此輸出低電平的大小仍取決于負(fù)載管和輸入管的幾何尺寸比。

③對(duì)于實(shí)現(xiàn)相同的邏輯功能，它比靜態(tài)移位寄存器所需器件數(shù)量少，因面有利于提高集成度，適合于大規(guī)模集成電路。

4、兩相動(dòng)態(tài)無比移位寄存器

圖3-29是一位兩相無比動(dòng)態(tài)移位寄存器的電路及工作波形，它是由兩個(gè)兩相無比動(dòng)態(tài)移位倒相器組成，前級(jí)可認(rèn)為是主，后級(jí)認(rèn)為是從。由于倒相器是無比型的，負(fù)載管和輸入管的幾何尺寸可選得一樣大，故工作速度比有比電路快。

下面我們根據(jù)圖3-29（b）的工作波形圖，來說明它的工作原理：當(dāng)到來時(shí)，輸入，經(jīng)過對(duì)充電，使達(dá)到“1”電平；同時(shí)經(jīng)對(duì)充電，使也達(dá)到“1”電平。當(dāng)過后，由于存貯的電荷不會(huì)很快漏掉，所以保持“1”電平，而使導(dǎo)通。這時(shí)將通過放電至“0”電平。當(dāng)到來時(shí)，導(dǎo)通，上電荷將在和間重新分配。這時(shí)將通過放電至“0”，使截止，并由通過對(duì)充電至“1”電平，即輸出從“0”跳變到“1”電平。

當(dāng)第二次到來時(shí)，這時(shí)，通過放電至“0”電平，同時(shí)通過對(duì)充電至“1”電平。當(dāng)第二次到來時(shí)，導(dǎo)通，上的電荷將在間重新分配，使略有下降，而上升為“1”電平。第二次過后，導(dǎo)通，就通過放電至“0”，即輸出“0”電平。

綜上所述，在兩個(gè)不相重疊的兩相時(shí)鐘脈沖的作用下，輸入信號(hào)經(jīng)過移位后在輸出端輸出，完成了移位寄存功能。這種動(dòng)態(tài)移位寄存器由于用時(shí)鐘脈沖取代了直流電源，功耗更低，只有在時(shí)鐘脈沖到來并對(duì)柵電容充電時(shí)，才有功耗。如果輸入V，恒為“1”，則周期性充放電，需要消耗時(shí)鐘脈沖源的能量。每個(gè)周期的平均功耗為：

如果恒為“0”，則周期性放電，所以由付出能量。

5、四相動(dòng)態(tài)無比移位寄存器

上面討論的兩相動(dòng)態(tài)無比移位寄存器，由于電荷的再分配問題，要求電容的容量要足夠大，以滿足的條件。因此限制了電路的集成度和工作這度。為了進(jìn)一步提高集成度和工作速度，采用了如圖3-30所示的四相時(shí)鐘脈沖控制的移位寄存器。

這種動(dòng)態(tài)移位寄存器的單元電路共有六個(gè)MOS管組成，要用兩組有重疊的時(shí)鐘脈沖。

可以認(rèn)為組成主倒相器，由控制；組成從倒相器，由控制。在時(shí)間，。通過對(duì)預(yù)充電，它與輸入狀態(tài)無關(guān)（因的源極也接）。在時(shí)間，，而仍為“1”由于，所以通過導(dǎo)通的放電至“0”。如果，截止，不能放電，所以，與輸入端的相位相反。從倒相器的工作情況與主倒相器類似。在時(shí)刻，，使預(yù)充電；時(shí)刻以后，因?yàn)?/span>仍為“1”，上的電壓將取決于主倒相器的輸出電壓，若V1-“1”，則Vo=0，反之亦然。輸入信號(hào)經(jīng)過兩次倒相，延遲了一段時(shí)間后從輸出端輸出，完成了移位寄存的功能。

6、互補(bǔ)MOS動(dòng)態(tài)移位寄存器

前面講到，互補(bǔ)MOS電路具有功耗微、速度高的優(yōu)點(diǎn)，故可利用CMOS倒相器組成動(dòng)態(tài)移位寄存器。圖3-81為CMOS動(dòng)態(tài)移位寄存器的一位電路圖。它是由兩個(gè)CMOS倒相器和兩個(gè)OMOS傳輸門組成。

其工作情況是這樣的；當(dāng)導(dǎo)通，輸入信號(hào)便存入中，在主倒相器輸出端得到經(jīng)過倒相的輸入信號(hào)。但這時(shí)截止，所以兩個(gè)倒相器之間是隔離的。當(dāng)時(shí)，導(dǎo)通，經(jīng)倒相的輸入信號(hào)傳到，再倒相后傳到輸出端。這樣輸入信號(hào)經(jīng)過兩次倒相，并在時(shí)間上延遲后，從輸出端輸出，完成了移位寄存功能。

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