基于CMOS電路的序列信號檢測器的設(shè)計(jì)

保慧琴，李 茹，衛(wèi) 霞

（西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院信息工程學(xué)院，西安710124）

1 引言

序列信號檢測器作為一種時序數(shù)字電路中最常用到的設(shè)計(jì)之一，可以從串行的數(shù)字碼流中識別出一個指定的序列，因此在雷達(dá)、遙測、密碼認(rèn)證等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。隨著集成電路的快速發(fā)展，互補(bǔ)CMOS電路在集成電路中的應(yīng)用占了98%以上。靜態(tài)CMOS邏輯結(jié)構(gòu)包含NMOS邏輯塊和PMOS邏輯塊，兩者互補(bǔ)，因此在輸入穩(wěn)態(tài)時兩個邏輯塊輪流導(dǎo)通，電源和地之間沒有直流通路，靜態(tài)功耗幾乎為0。同時，靜態(tài)CMOS邏輯也是一種無比電路,擺幅可以達(dá)到-VDD[1]。

基于靜態(tài)CMOS邏輯電路，在此設(shè)計(jì)一款“1111”序列信號檢測器，其輸入X為串行二進(jìn)制數(shù)，當(dāng)串行輸入數(shù)據(jù)中連續(xù)出現(xiàn)四個“1”時，使其輸出Z為1。

2 檢測器設(shè)計(jì)

首先建立原始的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。“1111”序列信號檢測器一共需要5個狀態(tài)：S0代表接收到0以后的狀態(tài)；S1代表接收到1個1以后的狀態(tài)；S2代表接收到2個1以后的狀態(tài)；S3代表接收到3個1以后的狀態(tài)；S4代表接收到4個1以后的狀態(tài)。原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如圖1、表1所示。

圖1狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

表1狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 yn+1/Z

不論狀態(tài)處在S0～S4的哪個狀態(tài)，當(dāng)輸入為0時狀態(tài)都會跳轉(zhuǎn)回到S0狀態(tài)，輸出為0；S0是接收0以后的狀態(tài)，如果輸入為1,則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S1狀態(tài)，輸出為0；S1是接收1個1以后的狀態(tài)，如果輸入為1，則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S2，輸出為0；S2是接收2個1以后的狀態(tài)，如果輸入為1，則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S3，輸出為0；S3是接收3個1以后的狀態(tài)，如果輸入為1則狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S4，輸出為1；S4是接收到4個1的狀態(tài)，如果輸入為1則狀態(tài)停留在S4，輸出為1。觀察表1可以發(fā)現(xiàn)，S3和S4這兩個狀態(tài)，在相同的輸入作用下，有相同的輸出，而且轉(zhuǎn)換到相同的輸出，所以S3和S4這兩個狀態(tài)是等價(jià)狀態(tài)，可以合并為一個狀態(tài)[2]，從而將狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表簡化為圖2和表2所示。

圖2簡化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

表2簡化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表yn+1/Z

時序邏輯電路的狀態(tài)是用觸發(fā)器狀態(tài)的不同組合來表示的，因此需要確定觸發(fā)器的級數(shù)n。n個觸發(fā)器一共有2n個狀態(tài)組合，要獲得M個狀態(tài)組合，必須取2n＜M≤2n。本設(shè)計(jì)中狀態(tài)個數(shù)為4，所以需要2個觸發(fā)器即可。2個觸發(fā)器一共有00、01、10和11四個狀態(tài)，需要將這四個狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)分配。狀態(tài)分配的原則有二，一是要使得最后的邏輯圖最簡，二是多余狀態(tài)不產(chǎn)生死循環(huán)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)中沒有多余狀態(tài)，所以不需要考慮死循環(huán)的問題，為便于按照順序進(jìn)行狀態(tài)分配，令S0=00，S1=01，S2=10，S3=11。將表2中的字母形式的狀態(tài)變換為二進(jìn)制形式，即得到新的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表3。狀態(tài)轉(zhuǎn)換表表示觸發(fā)器在外邊輸入作用下的狀態(tài)和輸出。狀態(tài)轉(zhuǎn)換的真值表如表4。

表3二進(jìn)制形式的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

表4狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表

將輸出Q2n+1、Q1n+1放到卡諾圖中進(jìn)行化簡，簡化過程如圖3所示。輸出Z不需要用卡諾圖進(jìn)行化簡，因?yàn)檩敵鯶邏輯值為1的最小項(xiàng)只有一個，即Z=XQ2Q1。

圖3使用卡諾圖進(jìn)行化簡

此處2個觸發(fā)器選擇邊沿D觸發(fā)器，D觸發(fā)器的特征方程[3]為Qn+1=D，卡諾圖化簡的結(jié)果就是D觸發(fā)器的輸入激勵表達(dá)式，即：

求出2個邊沿D觸發(fā)器的輸入激勵方程后，將2個觸發(fā)器連接成同步時序邏輯電路即可。此處選用集成電路設(shè)計(jì)軟件Tanner_Pro中的S-edit設(shè)計(jì)序列信號檢測器的電路原理圖并用T-spice進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3 CMOS電路原理圖設(shè)計(jì)

采用靜態(tài)CMOS邏輯電路設(shè)計(jì)“1111”序列信號檢測器，靜態(tài)CMOS邏輯中NMOS邏輯塊（下拉網(wǎng)絡(luò)，PDN）和PMOS邏輯塊（上拉網(wǎng)絡(luò)，PUN）具有互補(bǔ)性能，輸入為穩(wěn)態(tài)時靜態(tài)CMOS邏輯門電源和地之間沒有直流通路，靜態(tài)功耗幾乎為0。靜態(tài)CMOS邏輯門由于總是實(shí)現(xiàn)帶“非”的邏輯，所以需要將觸發(fā)器的激勵表達(dá)式以及輸出表達(dá)式變形為帶“非”的形式[4]，即：

邏輯表達(dá)式的變換方法很多，此處選擇變換方式要考慮盡可能多地應(yīng)用到公共項(xiàng)，上面三個輸出的邏輯表達(dá)式中都存在這個公共項(xiàng)，可以節(jié)省硬件資源。從前面公式可以判斷出“1111”序列信號檢測器需要用到的邏輯門有三種：CMOS兩輸入或非門、CMOS兩輸入與非門和邊沿D觸發(fā)器。

3.1 CMOS兩輸入或非門設(shè)計(jì)

為避免體硅工藝中的閂鎖效應(yīng)，靜態(tài)CMOS邏輯門中NMOS管和PMOS管的襯底要進(jìn)行固定的連接。NMOS管的襯底必須接地，PMOS管的襯底必須接電源電壓。靜態(tài)CMOS邏輯門當(dāng)輸入是穩(wěn)態(tài)時只有單邏輯塊導(dǎo)通，沒有直通電路，靜態(tài)功耗幾乎為0。CMOS或非門是一種無比電路，所以其輸出邏輯擺幅最大可以達(dá)到最大VDD。CMOS兩輸入或非門電路圖和仿真波形如圖4。

圖4 CMOS或非門電路圖和仿真波形

3.2 CMOS兩輸入與非門設(shè)計(jì)

CMOS兩輸入與非門中NMOS邏輯塊由兩個串聯(lián)的NMOS構(gòu)成，串聯(lián)晶體管會使得輸出下降時間變長，性能變差，因此串聯(lián)晶體管的數(shù)目一般不能超過3個。PMOS邏輯塊由兩個并聯(lián)的PMOS管構(gòu)成，并聯(lián)的晶體管會增加負(fù)載電容。在設(shè)計(jì)兩輸入與非門時應(yīng)設(shè)計(jì)好尺寸使之達(dá)到對性能的要求[5]。兩輸入與非門電路原理圖和仿真波形如圖5。

圖5兩輸入與非門電路原理圖和仿真波形

3.3 邊沿D觸發(fā)器設(shè)計(jì)

為提高抗干擾能力和電路工作可靠性，選用上升沿觸發(fā)的邊沿D觸發(fā)器，此觸發(fā)器也具有異步清零功能和異步置位功能。采用靜態(tài)CMOS邏輯門實(shí)現(xiàn)邊沿D觸發(fā)器，由6個CMOS三輸入與非門交叉耦合而成。電路原理圖及仿真結(jié)果波形如圖6所示。波形信號從上到下依次為時鐘CP、異步清零端口RD、異步置1端口SD、輸入D和輸出Q和Q。從波形中可以看出，異步清零端口RD為低電平時觸發(fā)器清零，異步置1端口SD為0時觸發(fā)器置1，異步清零和異步置1端口都為高電平時，D觸發(fā)器狀態(tài)只在CP上升沿時刻才跟隨輸入D發(fā)生變化，其他時刻輸入信號的變化不會引起觸發(fā)器的狀態(tài)變化。

圖6邊沿D觸發(fā)器電路原理圖和仿真波形

3.4 序列信號檢測器設(shè)計(jì)

“1111”序列信號檢測器由兩個邊沿D觸發(fā)器、CMOS或非門和CMOS兩輸入與非門組成。采用層次化的設(shè)計(jì)思想，將設(shè)計(jì)出的邊沿D觸發(fā)器單元、或非門單元和兩輸入與非門單元進(jìn)行級聯(lián)，形成序列信號檢測器的電路原理圖[6]，如圖7所示，它是在Tanner_Pro集成電路設(shè)計(jì)軟件中的S-edit電路編輯軟件中設(shè)計(jì)出的電路原理圖，然后用T-spice軟件進(jìn)行瞬時分析[7-8]。

圖7“1111”序列信號檢測器電路原理圖

在T-spice中設(shè)置兩個D觸發(fā)器的初始狀態(tài)為0，仿真波形如圖8所示。可以看出，從第一個時鐘上升沿開始觸發(fā)器狀態(tài)Q2Q1轉(zhuǎn)換過程為00→01→10→11，也就是S0→S1→S2→S3。后面X繼續(xù)輸入1時，觸發(fā)器狀態(tài)保持Q2Q1=11也就是保持在S3狀態(tài)。輸入有連續(xù)4個1出現(xiàn)時輸出Z為1，當(dāng)輸入X有0出現(xiàn)時觸發(fā)器的狀態(tài)返回S0，輸出Z立刻置0。

圖8“1111”序列信號檢測器仿真波形圖

4 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的此款“1111”序列信號檢測器可直接應(yīng)用在雷達(dá)、遙測、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。Tanner_Pro是一整套完善的集成電路設(shè)計(jì)軟件，采用模塊化、層次化的設(shè)計(jì)思想，利用該軟件中的S-edit，設(shè)計(jì)出了“1111”序列信號檢測器的電路原理圖；電路結(jié)構(gòu)選用靜態(tài)CMOS邏輯結(jié)構(gòu)，也提高了電路的性能。以T-spice進(jìn)行仿真驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的序列信號檢測器可以從串行的數(shù)字碼流中識別出一個指定的序列，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。