Результат интеллектуальной деятельности: ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ТРИГГЕР

Предлагаемое изобретение относится к импульсной технике, а именно к бистабильным схемам с использованием в качестве активных элементов полевых транзисторов с внутренней положительной обратной связью, и может быть использовано в устройствах интерфейса ввода-вывода данных вычислительной техники и систем управления.

Известен двухступенчатый триггер [Edge Trigger Type Flip-Flop, JP 7095013, опубл. 07.04.1995], обладающий высоким быстродействием, так как у него отсутствует вспомогательный триггер второй ступени, а два основных триггера поочередно участвуют в приеме и передаче информации, содержащий два одинаковых одноступенчатых триггера в виде защелок и мультиплексор, причем мультиплексор включает в себя два комплементарных ключа, выходные цепи которых объединены и через инвертор подключены к информационному выходу устройства, а входные цепи этих ключей соединены с выходами соответствующих одноступенчатых триггеров, при этом входы одноступенчатых триггеров объединены между собой и соединены с информационном входом устройства, причем каждый одноступенчатый триггер содержит во входной цепи последовательно соединенные комплементарный ключ и инвертор, выход которого является выходом одноступенчатого триггера и соединен с цепью обратной связи, содержащей последовательно соединенные инвертор и комплементарный ключ, выходная цепь которого объединена с входом инвертора входной цепи, при этом в первом одноступенчатом триггере прямой вход синхронизации объединен с прямым входом управления комплементарного ключа входной цепи и инверсным входом управления комплементарного ключа цепи обратной связи, а инверсный вход синхронизации - с инверсным входом управления комплементарного ключа входной цепи и прямым входом управления комплементарного ключа цепи обратной связи, при этом таким же образом, но с полной инверсией, соединены с входами синхронизации входы управления комплементарных ключей во втором одноступенчатом триггере, и в противофазе по входам синхронизации управляются комплементарные ключи мультиплексора.

Однако устройство обладает избыточностью по числу элементов.

Из числа аналогов, наиболее близким по технической сущности является двухступенчатый триггер [Double Edge Triggered Flip-Flop Circuit, US 8004908 B2, опубл. 23.08.2011], который и выбран в качестве прототипа. Этот двухступенчатый триггер является более простым устройством, так как он содержит на один инвертор меньше, чем аналог. Учитывая, что обычно триггеры используются в устройствах вычислительной техники и систем управления в большом количестве, упрощение триггера на один инвертор является значимым моментом.

В состав прототипа входят информационные вход и выход, прямой и инверсный входы синхронизации, четыре инвертора, два комплементарных ключа, объединенных по выходной цепи, и еще четыре ключа, входные цепи первых двух из которых, а именно третьего и четвертого ключей, объединены и соединены с информационным входом триггера, а выходные цепи подключены к входам соответственно первого и второго инверторов и соответственно к выходным цепям пятого и шестого ключей, при этом входная цепь шестого ключа соединена с выходом третьего инвертора, причем третий и шестой ключи по входам управления, а также первый комплементарный ключ по инверсному входу управления и второй комплементарный ключ по прямому входу управления объединены с прямым входом синхронизации триггера, при этом четвертый и пятый ключи по входам управления, а также первый комплементарный ключ по прямому входу управления и второй комплементарный ключ по инверсному входу управления объединены с инверсным входом синхронизации триггера.

Кроме того, в двухступенчатом триггере третий, четвертый, пятый и шестой ключи выполнены в виде комплементарных ключей, у которых инверсные входы управления объединены с входами синхронизации: соответственно для четвертого и пятого - с прямым, а для третьего и шестого - с инверсным, а выходы первого и второго инверторов соединены с входными цепями соответственно первого и второго комплементарных ключей, при этом выходы третьего и четвертого инверторов соединены соответственно с входной цепью пятого ключа и выходом триггера, при этом входы третьего и четвертого инверторов объединены между собой и выходными цепями первого и второго комплементарных ключей.

В основу работы прототипа положено поочередное взаимодействие двух равнозначных ступеней (ММ-триггер), каждая из которых представляет собой защелку, состоящую из двух комплементарных ключей (третий, пятый и четвертый, шестой соответственно) и инвертора (первый и второй соответственно). Сигналы с выходов защелок подаются на входы мультиплексора, состоящего из двух комплементарных ключей (первый и второй), а сигнал с выхода мультиплексора поступает на выходной инвертор (четвертый) и на инвертор цепи общей обратной связи (третий), с которого сигнал передается на входы комплементарных ключей (пятого и шестого) цепей обратных связей защелок. Входной информационный сигнал подается на входы комплементарных ключей (третий и четвертый) входных цепей обеих защелок, а выходной информационный сигнал снимается с выходного инвертора (четвертый).

Работа прототипа определяется функцией переходов триггера типа D.

Недостатком прототипа является его сложность из-за избыточного использования двухфазно-управляемых комплементарных ключей и нерегулярности структуры, усложняющей топологическую реализацию триггера.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение устройства за счет частичного перехода к однотранзисторным ключам и повышения регулярности структуры.

Техническим результатом является меньшее число комплементарных ключей и повышенная регулярность структуры, позволяющая упростить топологическую реализацию при сохранении функциональных возможностей устройства.

Поставленная задача решается тем, что в двухступенчатом триггере, содержащем информационные вход и выход, прямой и инверсный входы синхронизации, четыре инвертора, два комплементарных ключа, объединенных по выходной цепи, и еще четыре ключа, входные цепи первых двух из которых, а именно третьего и четвертого ключей, объединены и соединены с информационным входом триггера, а выходные цепи подключены к входам соответственно первого и второго инверторов и соответственно к выходным цепям пятого и шестого ключей, при этом входная цепь шестого ключа соединена с выходом третьего инвертора, причем третий и шестой ключи по входам управления, а также первый комплементарный ключ по инверсному входу управления и второй комплементарный ключ по прямому входу управления объединены с прямым входом синхронизации триггера, при этом четвертый и пятый ключи по входам управления, а также первый комплементарный ключ по прямому входу управления и второй комплементарный ключ по инверсному входу управления объединены с инверсным входом синхронизации триггера,

Дополнительно соединены при этом выходы первого и второго инверторов с входами соответственно четвертого и третьего инверторов, а выходы четвертого и третьего инверторов соединены с входными цепями соответственно первого и второго комплементарных ключей, при этом выход четвертого инвертора объединен также с входной цепью пятого ключа, причем информационный выход триггера соединен с объединенными выходными цепями первого и второго комплементарных ключей.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании более простого двухступенчатого ММ-триггера типа D с регулярной структурой за счет исключения общей обратной связи и организации локальных обратных связей в пределах каждой защелки ступеней триггера, благодаря чему в защелках появилась возможность перехода от комплементарных ключей к однотранзисторным и улучшения топологической реализации устройства.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема предлагаемого двухступенчатого триггера типа D, на фиг.2, 3 и 4 представлены временные диаграммы процессов, протекающих в устройстве при изменении входного сигнала на информационном входе D соответственно за каждую половину периода Т синхросигнала, за каждый период Т синхросигнала и независимо от периода Т синхросигнала.

Двухступенчатый триггер (фиг.1) содержит информационные вход 1 и выход 2, прямой 3 и инверсный 4 входы синхронизации, первый 5, второй 6, третий 7 и четвертый 8 инверторы, первый 9 и второй 10 комплементарные ключи, объединенные по выходной цепи, и еще третий 11, четвертый 12, пятый 13 и шестой 14 ключи, входные цепи первых двух из которых, а именно третьего 11 и четвертого 12 ключей, объединены и соединены с информационным входом 1 триггера, а выходные цепи подключены к входам соответственно первого 5 и второго 6 инверторов и соответственно к выходным цепям пятого 13 и шестого 14 ключей, при этом входная цепь шестого ключа 14 соединена с выходом третьего инвертора 7, причем третий 11 и шестой 14 ключи по входам управления, а также первый комплементарный ключ 9 по инверсному входу управления и второй комплементарный ключ 10 по прямому входу управления объединены с прямым входом 3 синхронизации триггера, при этом четвертый 12 и пятый 13 ключи по входам управления, а также первый комплементарный ключ 9 по прямому входу управления и второй комплементарный ключ 10 по инверсному входу управления объединены с инверсным входом 4 синхронизации триггера.

Кроме того, в двухступенчатом триггере выходы первого 5 и второго 6 инверторов соединены с входами соответственно четвертого 8 и третьего 7 инверторов, а выходы четвертого 8 и третьего 7 инверторов соединены с входными цепями соответственно первого 9 и второго 10 комплементарных ключей, при этом выход четвертого инвертора 8 объединен также с входной цепью пятого ключа 13, причем информационный выход 2 триггера соединен с объединенными выходными цепями первого 9 и второго 10 комплементарных ключей.

Устройство работает следующим образом.

Пусть на входы синхронизации 3 и 4 поступают синхросигналы, соответственно прямой С и инверсный (фиг.2, 3, 4).

При единичном уровне прямого синхросигнала С открыты третий 11 и шестой 14 ключи. В то же время инверсный синхросигнал имеет нулевой уровень при котором закрыты четвертый 12 и пятый 13 ключи. Наличие прямого синхросигнала С единичного уровня и инверсного синхросигнала нулевого уровня приводит к тому, что второй комплементарный ключ 10 открыт, а первый комплементарный ключ 9 закрыт.

При этом если входной сигнал с информационного входа 1 триггера представлен единичным уровнем, то, проходя через открытый третий ключ 11, сигнал искажается, но затем он проходит последовательно сначала через первый инвертор 5, а потом и через четвертый инвертор 8. Благодаря этому искажение входного сигнала сводится к минимуму, и он поступает на вход пятого ключа 13 цепи локальной обратной связи первой защелки и на вход первого комплементарного ключа 9.

При этом если входной сигнал с информационного входа 1 триггера представлен нулевым уровнем, то он проходит последовательно через открытый третий ключ 11, затем через первый инвертор 5, а потом и через четвертый инвертор 8. В результате этот сигнал поступает на вход пятого ключа 13 цепи локальной обратной связи первой защелки и на вход первого комплементарного ключа 9.

В то же время, а именно при единичном уровне прямого синхросигнала С и при нулевом уровне инверсного синхросигнала , во второй защелке на последовательно включенных втором 6 и третьем 7 инверторах, охваченных цепью локальной обратной связи через открытый шестой ключ 14, поддерживается сигнал состояния триггера, который через второй комплементарный ключ 10 поступает на информационный выход 2 устройства.

При этом если сигнал на входе шестого ключа 14 представлен единичным уровнем, то, проходя через открытый шестой ключ 14, сигнал искажается, но затем он проходит последовательно сначала через второй инвертор 6, а потом и через третий инвертор 7. Благодаря этому искажение сигнала сводится к минимуму, и он поступает на вход шестого ключа 14 цепи локальной обратной связи второй защелки и через открытый второй комплементарный ключ 10 на информационный выход 2 устройства.

При этом если сигнал на входе шестого ключа 14 представлен нулевым уровнем, то он проходит последовательно через открытый шестой ключ 14, затем через второй инвертор 6, а потом и через третий инвертор 7. В результате этот сигнал поступает на вход шестого ключа 14 цепи локальной обратной связи второй защелки и через открытый второй комплементарный ключ 10 на информационный выход 2 устройства.

При смене прямого синхросигнала С на нулевой уровень (фиг.2, 3,4) закроется третий 11 и шестой 14 ключи. В то же время изменится инверсный синхросигнал на единичный уровень, при котором откроются четвертый 12 и пятый 13 ключи. Смена прямого синхросигнала С на нулевой уровень, а инверсного синхросигнала на единичный уровень приведет к тому, что первый комплементарный ключ 9 откроется, а второй комплементарный ключ 10 закроется.

При этом если входной сигнал с информационного входа 1 триггера представлен единичным уровнем, то, проходя через открытый четвертый ключ 12, сигнал искажается, но затем он проходит последовательно сначала через второй инвертор 6, а потом и через третий инвертор 7. Благодаря этому искажение входного сигнала сводится к минимуму, и он поступает на вход шестого ключа 14 цепи локальной обратной связи второй защелки и на вход второго комплементарного ключа 10.

При этом если входной сигнал с информационного входа 1 триггера представлен нулевым уровнем, то он проходит последовательно через открытый четвертый ключ 12, затем через второй инвертор 6, а потом и через третий инвертор 7. В результате этот сигнал поступает на вход шестого ключа 14 цепи локальной обратной связи второй защелки и на вход второго комплементарного ключа 10.

В то же время, а именно при смене прямого синхросигнала С на нулевой уровень, а инверсного синхросигнала на единичный уровень, в первой защелке на последовательно включенных первом 5 и четвертом 8 инверторах, охваченных цепью локальной обратной связи через открытый пятый ключ 13, будет поддерживаться сигнал состояния триггера, который через первый комплементарный ключ 9 поступит на информационный выход 2 устройства.

При этом если сигнал на входе пятого ключа 13 представлен единичным уровнем, то, проходя через открытый пятый ключ 13, сигнал искажается, но затем он проходит последовательно сначала через первый инвертор 5, а потом и через четвертый инвертор 8. Благодаря этому искажение сигнала сводится к минимуму, и он поступает на вход пятого ключа 13 цепи локальной обратной связи первой защелки и через открытый первый комплементарный ключ 9 на информационный выход 2 устройства.

При этом если сигнал на входе пятого ключа 13 представлен нулевым уровнем, то он проходит последовательно через открытый пятый ключ 13, затем через первый инвертор 5, а потом и через четвертый инвертор 8. В результате этот сигнал поступает на вход пятого ключа 13 цепи локальной обратной связи первой защелки и через открытый первый комплементарный ключ 9 на информационный выход 2 устройства.

При смене прямого синхросигнала С на единичный уровень (фиг.2, 3, 4) откроются третий 11 и шестой 14 ключи. В то же время изменится инверсный синхросигнал на нулевой уровень, при котором закроются четвертый 12 и пятый 13 ключи. Смена прямого синхросигнала С на единичный уровень, а инверсного сигнала на нулевой уровень, приведет к тому, что первый комплементарный ключ 9 закроется, а второй комплементарный ключ 10 откроется.

При этом если входной сигнал с информационного входа 1 триггера представлен единичным уровнем, то, проходя через открытый третий ключ 11, сигнал искажается, но затем он проходит последовательно сначала через первый инвертор 5, а потом и через четвертый инвертор 8. Благодаря этому искажение входного сигнала сводится к минимуму, и он поступает на вход пятого ключа 13 цепи локальной обратной связи первой защелки и на вход первого комплементарного ключа 9.

При этом если входной сигнал с информационного входа 1 триггера представлен нулевым уровнем, то он проходит последовательно через открытый третий ключ 11, затем через первый инвертор 5, а потом и через четвертый инвертор 8. В результате этот сигнал поступает на вход пятого ключа 13 цепи локальной обратной связи первой защелки и на вход первого комплементарного ключа 9.

В то же время, а именно при смене прямого синхросигнала С на единичный уровень, а инверсного синхросигнала на нулевой уровень, во второй защелке на последовательно включенных втором 6 и третьем 7 инверторах, охваченных цепью локальной обратной связи через открытый шестой ключ 14, будет поддерживаться сигнал состояния триггера, который через второй комплементарный ключ 10 поступит на информационный выход 2 устройства.

При этом если сигнал на входе шестого ключа 14 представлен единичным уровнем, то, проходя через открытый шестой ключ 14, сигнал искажается, но затем он проходит последовательно сначала через второй инвертор 6, а потом и через третий инвертор 7. Благодаря этому искажение сигнала сводится к минимуму, и он поступает на вход шестого ключа 14 цепи локальной обратной связи второй защелки и через открытый второй комплементарный ключ 10 на информационный выход 2 устройства.

При этом если сигнал на входе шестого ключа 14 представлен нулевым уровнем, то он проходит последовательно через открытый шестой ключ 14, затем через второй инвертор 6, а потом и через третий инвертор 7. В результате этот сигнал поступает на вход шестого ключа 14 цепи локальной обратной связи второй защелки и через открытый второй комплементарный ключ 10 на информационный выход 2 устройства.

Далее при смене прямого синхросигнала С и инверсного синхросигнала на нулевой и на единичный уровни соответственно процесс повторяется (фиг.2, 3, 4).

Таким образом, при единичном уровне прямого синхросигнала С и нулевом уровне инверсного синхросигнала С входной сигнал проходит на первую защелку и поступает на вход закрытого первого 9 комплементарного ключа, а в это время на информационный выход 2 устройства поступает сигнал со второй защелки через открытый второй комплементарный ключ 10. И, наоборот, при нулевом уровне прямого синхросигнала С и единичном уровне инверсного синхросигнала входной сигнал проходит на вторую защелку и поступает на вход закрытого второго комплементарного ключа 10, а в это время на информационный выход 2 устройства поступает сигнал с первой защелки через открытый первый комплементарный ключ 9.

Состояние двухступенчатого ММ-триггера типа D определяется входным информационным сигналом с задержкой на полтакта.

В основу работы двухступенчатого ММ-триггера типа D положен принцип поочередной перекрестной локальной обработки входной информации на каждой защелке ступеней триггера при приеме и передаче без общей обратной связи, благодаря чему простыми средствами и компактно в каждые полтакта на одной защелке ступени триггера запоминается входная информация, а с другой защелки ступени триггера выполняется считывание задержанной на полтакта информации.

Логическое выражение для информационного выхода 2 двухступенчатого ММ-триггера типа D имеет вид:

где Q₁ - выходной сигнал защелки первой ступени триггера;

Q₂ - выходной сигнал защелки второй ступени триггера;

С - прямой синхросигнал;

- инверсный синхросигнал.

Функциональная характеристика двухступенчатого ММ-триггера типа D по информационному выходу 2 определяется выражением:

где Q₁ ^n+r - выходной сигнал защелки первой ступени триггера на очередном n-м такте прямого синхросигнала С в течение действия его нулевого уровня от n+r до n+r+p;

Q₂ ^n+r+p - выходной сигнал защелки второй ступени триггера на очередном (n+1)-м такте инверсного синхросигнала в течение действия его нулевого уровня от n+r+р до n+r+p+r;

р - часть периода Т, определяемая действием синхросигнала С нулевого уровня и синхросигнала единичного уровня;

r - часть периода Т, определяемая действием синхросигнала С единичного уровня и синхросигнала нулевого уровня;

p+r=1 - период Т как прямого синхросигнала С, так и инверсного синхросигнала , определяемый действием их нулевого и единичного уровней (фиг.2, 3, 4).

При этом сигнал на выходе защелки первой ступени триггера сформировался на n-м такте прямого синхросигнала С в течение действия его единичного уровня от n до n+r и определялся уровнем входного сигнала на информационном входе 1:

При этом сигнал на выходе защелки второй ступени триггера сформировался на n-м такте инверсного синхросигнала С в течение действия его единичного уровня от n+r до n+r+р и определялся уровнем входного сигнала на информационном входе 1:

Подставляя выражения (3) и (4) в (2), получаем функциональную характеристику двухступенчатого триггера по информационному выходу 2:

Следовательно, имеется возможность смены сигнала на информационном входе триггера в предельном случае каждую половину периода Т (фиг.2).

Если сигнал на информационном входе будет меняться каждый период Т (фиг.3), значит D^n+r=Dⁿ, и тогда выражение (5) в частном случае преобразуется к виду:

Как известно, выражение (6) соответствует характеристическому уровнению триггера типа D [Агаханян, Т.М. Интегральные триггеры устройств автоматики [Текст]: / Т.М. Агаханян, С.П. Плеханов. - М.: Машиностроение, 1978, - 368 с: ил. -Библиогр.: с.28].

В случае если сигнал на информационном входе будет меняться реже чем за период Т (фиг.4), то выработка сигнала на информационном выходе также будет определяться в общем виде выражением (5).

Таким образом, предложенный ММ-триггер типа D является более простым устройством благодаря регулярной структуре с простыми ключами при сохранении двух ступеней, обеспечивающих высокое быстродействие работы.