MOS動態移位寄存器的六種特征及工作原理詳解分析

MOS動態移位

上面所述的靜態移位寄存器，是利用靜態的R-S、J-K或D觸發器組成的，性能比較穩定，但電路結構比較復雜，移位速度較慢，集成度也比較低。在大規模集成電路高度發展的今天，功耗低、結構簡單、速度快、集成度高的動態移位寄存器充分顯示了它的突出優點。動態移位寄存器是由動態邏輯電路構成的。為了理解動態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態邏輯電路。

1、柵電容存貯效應

大家知道，MOS晶體管的柵相對于半導體的襯底，是一個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的原理圖。圖3-28（a）是一個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（包括有關的寄生電容），其值較?。sF）。在靜態電路中，由于與對電路性能的影響不大，所以都沒有標出。但在分析柵電容的存貯效應時，這兩個參數就成了重要的因素。

從圖3-28（a）中看到，當K合上，立即對充電。由于充電電阻很小，這個充電時間是很短的，柵電容上的電壓從0V很快上升到，使倒相器導通，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K斷開，柵電容上的電荷就只能通過放電，放電時間常數，約在數量級。這個時間相對于靜態來說是很短的，但與頻率較高的輸入信號的變化周期（例如在ns數量級）相比，卻是很長的。也可以說，柵電容可以在較長的時間內貯存信號，這就是柵電容的存貯效應。由于柵電容上的電荷要經過較長的時間才會漏掉，柵電壓也要經過較長時間才會從逐漸下降到零。因此，當及斷開后的較長時間里，輸入管是導通的，只有隨著電容對電阻放電，從下降到以下時，才由導通變為截止。即倒相器在K斷開后，經過時刻，輸出電壓才從“0”電平上升到“1”電平。

根據上述分析可知，只要把開關K閉合一個很短的時間，就能靠柵電容上存貯的電荷，使輸入管導通較長時間。這就是動態MOS電路的原理。在實際電路中，開關區的閉合是用時鐘脈沖來控制的。

2、動態MOS基本電路

過去講過的單溝道靜態MOS電路都是有比電路，即輸出電平的大小與輸入管和負載管的跨導比有關。而動態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載管的跨導比值來決定的電路。

（1）動態有比倒相器電路

動態有比倒相器電路和靜態電路類似，輸入管的尺寸要比負載管大得多，要求滿足：

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

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

當輸入電平變到“0”電平后，管不會馬上截止，要等下一個到來，管導通，通過放電至0，管由導通變為截止，輸出才跳變為“1”電平。從圖3-24（b）中看到，輸出波形相對輸入波形延遲一段時間。

要求功耗低和集成度高的實際動態MOS電路，一般都采用負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，負載管的柵極和門控管的柵極相連，用同一個時鐘脈沖來控制。由于只有當出現時，和才導通，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，當輸入電平由“0”跳變到“1”時，輸入管雖然導通，但由于門控管的阻隔，輸出端不能為“0”電平。只有當到來時，輸出才為“0”。所以，這種電路在時鐘脈沖的控制下，不僅能完成“倒相”作用，而且還起“延遲”作用。

（2）動態無比倒相器電路

動態有比電路較之靜態電路具有許多優點，如功耗低、速度快、集成度高等等，但要進一步降低功耗和提高集成度都受到了限制。因為，倒相器處于開態時，從電源至地有一個直流通路，需要相當的功耗，所以它的功耗不能降到最小。另外，因為它是有比電路，要求輸入管的尺寸比負載管大很多，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間隨著輸入器件與負載器件的幾何尺寸比的增大而增加，這就限制了開關速度的提高。為了克服這些限制，人們設計了一種動態無比電路，組成電路的輸入器件和負載器件不需要保持一定的跨導比，兩者的幾何尺寸可以做得一樣大。顯然，其速度、集成度可以進一步提高，功耗可以進一步降低。

圖3-26（a）為典型的兩相無比電路。它由輸入管負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載管”和門控管是由兩相時鐘分別控制的。

下面我們結合圖3-26（b）所示的工作波形來討論它的工作原理。如果在時刻，輸入為“0”電平，為“1”電平，這時截止而導通，對充電至，即“1”電平。在時刻，為“0”電平，跳變為“1”電平，使管導通，上的電荷通過導通的向轉移。由于和都是寄生的節點電容，且設計得，所以上的電荷部分轉移給后，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，這時上的電壓應為，但這時為“0”電平，T。截止，所以V。仍保持“1”電平。在之間，又變為0，使截止，而仍等于“1”電平，仍處于導通狀態，使通過。當時，變為“1”，使導通，便經過放電，使輸出由“1”電平變為“0”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間。

根據上述工作過程，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載管的兒何尺寸比來決定，所以輸入管和負載管的跨導不需要保持一定的比例關系。

從圖3-26（b）中看到，在的時間間隔內，由于，所以和均處于導通狀態，倒相器仍有直流導通功耗。為了進一步降低功耗，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，而其本身又與負載管同時由時鐘脈沖控制，而且電源直接由時鐘脈沖提供，輸入管的源極也不接地，改接時鐘脈沖。它的工作原理可利用工作波形圖來說明。

如果時，，都為“0”，。當時，到來，便通過放電，使下降至“0”；同時通過充電，使上升至“1”。過后，截止，所以存貯電荷不變，仍為“1”電平。當到來時，上的電荷向轉移，使輸出電壓變為“1”。在時，變為“1”，又來到，使又導通，于是充電到“1”，但因的源極接，所以在之間，不可能通過放電，繼續維持著“1”電平，輸出仍為“1”，但當過后導通，便通過放電，使點電位下降至0。此時尚未到來，截止，不能通過放電，故輸出V。仍為“1”。當來到，導通，經過放電，使降為“0”。到這里為止，完成了倒相與延時的功能。這種倒相器的功耗電流的出現時間比較短，只有到來對充電時才有電流，而且任何時間都不出現對地的直接通路，所以功耗極小。但這種電路與圖3-26所示的電路比較，由于時鐘脈沖承擔著對電容充電的任務，所以時鐘脈沖源的負荷較重。

綜上所述，動態電路與靜態電路相比，具有功耗低、開關速度快，同樣功能所需要的器件數少以及芯片占有面積更小的優點。因此，在大規模集成電路設計中，動態邏輯電路常常會被采納。但是，動態電路需要在外部有良好的時鐘控制系統；另外，正由于電路中柵電容存貯電荷是暫時的，所以時鐘脈沖的頻率有一個下限，這在一定程度上限制了對動態邏輯電路的采納。

和靜態邏輯電路一樣，動態邏輯電路除了有上述的動態倒相器外，還可以組成各種復雜的邏輯電路，如動態無比“與非”門、“或非”門和“與或非”門等等。

3、兩相動態有比移位寄存器動態

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

圖3-28（a）所示是一個兩相動態有比移位寄存器的基本單元，稱為一位，它是由兩個動態有比倒相器組成。前級由控制，后級由控制，虛線的左邊為主倒相器，右邊為從倒相器。當有輸入信號時，首先存貯在的柵電容上。當到來時，主倒相器工作，對輸入信號倒相并傳到上貯存。當到來時，從倒相器的負載管和門控管導通，將上的信號再倒相并傳到輸出端輸出。從圖3-28（b）的工作波形圖看到，經過相繼的兩個不相重疊的時鐘脈沖和作用，輸入信號就傳到了輸出端，并往后移了一位（即一段時間），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：

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

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

③對于實現相同的邏輯功能，它比靜態移位寄存器所需器件數量少，因面有利于提高集成度，適合于大規模集成電路。

4、兩相動態無比移位寄存器

圖3-29是一位兩相無比動態移位寄存器的電路及工作波形，它是由兩個兩相無比動態移位倒相器組成，前級可認為是主，后級認為是從。由于倒相器是無比型的，負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。

下面我們根據圖3-29（b）的工作波形圖，來說明它的工作原理：當到來時，輸入，經過對充電，使達到“1”電平；同時經對充電，使也達到“1”電平。當過后，由于存貯的電荷不會很快漏掉，所以保持“1”電平，而使導通。這時將通過放電至“0”電平。當到來時，導通，上電荷將在和間重新分配。這時將通過放電至“0”，使截止，并由通過對充電至“1”電平，即輸出從“0”跳變到“1”電平。

當第二次到來時，這時，通過放電至“0”電平，同時通過對充電至“1”電平。當第二次到來時，導通，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，導通，就通過放電至“0”，即輸出“0”電平。

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

如果恒為“0”，則周期性放電，所以由付出能量。

5、四相動態無比移位寄存器

上面討論的兩相動態無比移位寄存器，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所示的四相時鐘脈沖控制的移位寄存器。

這種動態移位寄存器的單元電路共有六個MOS管組成，要用兩組有重疊的時鐘脈沖。

可以認為組成主倒相器，由控制；組成從倒相器，由控制。在時間，。通過對預充電，它與輸入狀態無關（因的源極也接）。在時間，，而仍為“1”由于，所以通過導通的放電至“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。在時刻，，使預充電；時刻以后，因為仍為“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。輸入信號經過兩次倒相，延遲了一段時間后從輸出端輸出，完成了移位寄存的功能。

6、互補MOS動態移位寄存器

前面講到，互補MOS電路具有功耗微、速度高的優點，故可利用CMOS倒相器組成動態移位寄存器。圖3-81為CMOS動態移位寄存器的一位電路圖。它是由兩個CMOS倒相器和兩個OMOS傳輸門組成。

其工作情況是這樣的；當導通，輸入信號便存入中，在主倒相器輸出端得到經過倒相的輸入信號。但這時截止，所以兩個倒相器之間是隔離的。當時，導通，經倒相的輸入信號傳到，再倒相后傳到輸出端。這樣輸入信號經過兩次倒相，并在時間上延遲后，從輸出端輸出，完成了移位寄存功能。

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