Podręcznik

3.5. Podstawowy przerzutnik statyczny

Podstawowy przerzutnik statyczny powstaje przez połączenie dwóch inwerterów w taki sposób, że sygnał z wyjścia pierwszego inwertera jest podawany na wejście drugiego, a sygnał z wyjścia drugiego inwertera jest podawany na wejście pierwszego (rysunek 3-4). Taki układ, jak łatwo się przekonać, ma dwa samopodtrzymujące się stany stabilne: gdy w węźle A jest stan „1”, to w węźle B „0” i odwrotnie. Taki układ można więc użyć jako elementarną komórkę pamiętającą jeden bit informacji.

 

Rysunek 3 4. Podstawowy przerzutnik statyczny

 

Aby przełączyć układ z jednego stabilnego stanu w drugi, trzeba wymusić na jednym z węzłów – A lub B – lub w obu równocześnie napięcie odpowiadające przeciwnemu stanowi. Wymaga to sterowania z odpowiednio zaprojektowanego bufora sterującego, którym w najprostszym przypadku może być inwerter. Załóżmy, że taki inwerter steruje węzłem A, w którym panuje stan „1”, czyli napięcie równe napięciu zasilania układu V_{DD}. Załóżmy, że sterujący inwerter ma na wejściu stan „1”, a więc na wyjściu powinien wymusić stan „0”, czyli napięcie równe lub bliskie zeru. Powstaje wówczas sytuacja pokazana poniżej.

 

Rysunek 3 5. Przełączanie przerzutnika przez inwerter

 

Analiza układu z rysunku 3-5 jako układu logicznego nie pozwala stwierdzić, czy w węźle A ustali się „0”, czy też „1”. Trzeba zbadać wartość napięcia w węźle A. Schemat zastępczy układu (rysunek 3-6a), w którym pominięto (zaznaczono kolorem szarym) tranzystory znajdujące się w stanie odcięcia, pokazuje, że napięcie w węźle A określone jest przez dzielnik napięcia złożony z tranzystorów T5 i T2. Oba znajdują się w stanie przewodzenia. Jeśli tranzystor T2 będzie miał bardzo małą rezystancję w stosunku do tranzystora T5, to napięcie w węźle A spadnie do wartości bliskiej zeru. Wówczas ulegnie przełączeniu inwerter złożony z tranzystorów T3 i T4, w węźle B pojawi się „1”, czyli napięcie równe V_{DD}, które przełączy inwerter złożony z tranzystorów T5 i T6. W ten sposób nastąpi zmiana stanu przerzutnika. Małą rezystancję tranzystora T2 osiąga się przez dobór odpowiednio dużej szerokości kanału. Przy przełączaniu w drugą stronę (tj. zmianie stanu w węźle A z „0” na „1”) dzielnik napięcia tworzą tranzystory T1 i T6 (rysunek 3-6b). Tranzystor T1 musi mieć bardzo dużą szerokość kanału, aby wymusić w węźle A napięcie bliskie V_{DD}.

Zatem zmiana stanu przerzutnika wymaga sterowania go z inwertera mającego tranzystory (T1 i T2) o szerokościach kanału znacznie większych, niż szerokości kanałów tranzystorów T5 i T6 w przerzutniku. Nie ma prostego wzoru pozwalającego obliczyć wymagane szerokości kanałów tranzystorów w inwerterze sterującym. Należy dobrać te szerokości korzystając z symulacji elektrycznej. Jako wartość startową można wybrać szerokości kanałów tranzystorów w inwerterze sterującym (T1, T2) 3 razy większe od szerokości kanałów tranzystorów w przerzutniku (T5, T6).

 

Rysunek 3 6. Przełączanie przerzutnika: (a) dzielnik napięcia T2 - T5, (b) dzielnik napięcia T6 - T1

 

Omawiany przerzutnik znajduje zastosowanie głównie jako podstawowa komórka pamięci statycznych sRAM, natomiast w innych zastosowaniach stosuje się różne wersje przerzutników dynamicznych.