MOS移位寄存器的種類（靜態型、動態型、 多相時鐘）詳解

MOS移位寄存器大體上可分為靜態靜型和動態型兩種。態型移位寄存器過去由雙極型集成電路等構成的J-K觸發器組成。動態型主要利用MOS集成電路特有的柵電容暫存信息的功能，屬于用兩相時鐘轉移信息的類型。除了用兩相時鐘移位外，為了降低功耗，也有增加時鐘數目、用多相時鐘轉移信息的電路。這些電路的工作原理以后再說明。

（1）靜態型移位寄存器

靜態型移位寄存器典型的電路例子，如圖3.55所示。首先說明此電路的工作原理。輸入晶體管Q1藉助時鐘脈沖Ф而通斷，起傳遞輸入信號的作用。時鐘脈沖相位恰好相反。用兩相時鐘Ф1、Ф2代替和也能完成同樣的動作，此處就前一種情形加以說明。

現在研究圖3.56的狀態1。輸入信號為“1”電平的電位，時鐘脈沖Ф為“1”電平，所以Q1導通，Q2的柵變為“1”電平的電位，Q2也導通。從而A點為“0”電平，Q5截止，B點為“1”電平。但由于是“0”電平，所以Q7截止，B點的信號不能傳輸到Q8。Ф為“1”電平時，Q10雖也導通，輸出狀態還是不變。接著在狀態2，Q4 ,Q7導通,Q1、Q10截止。Q4導通，所以Q2的柵電位更加為“1”電平，A點維持在“0”電平。另一方面，由于Q7導通，B點的“1”電平傳輸到Q8的柵，使Q8導通，C點為“0”電平，所以輸出端D點變為“1”電平。然后在狀態3，輸入信號為“0”電平，所以Q2的柵為“0”電平，Q2截止，A點為“1”電平，B點為“0”電平。C、D兩點保持原來的狀態。

在狀態4時，Q4、Q7導通，Q1、Q10截止。此時因B點為“0”電平，所以Q8的柵變為“0”電平，Q8截止，C點變為“1”電平。因而Q11導通，輸出端D點變為“0”電平。

于是，輸入信號延遲1位傳輸到輸出端。對使用兩相時鐘的情形，也可以作完全一樣的說明。

如果取這種電路形式，1位需用元件數為12個。與后述動態型移位寄存器相比，元件數增加了一倍。從而，這種電路形式的位數不能增加許多，一般只作成4位，8位至20位的移位寄存器。這種移位寄存器輸入有相移的脈沖也可以用。MOS移位寄存器。也就是說，可用作動態型移位寄存器。

靜態型移位寄存器也可用J-K觸發器構成。例如可用圖3.58的J-K觸發器構成移位寄存器的一位。但由于元件數目多，談不上有什么優點。我們認為，今后前一種電路的移位寄存器是靜態型移位寄存器的主流。

這種電路的變種有準靜態型電路。準靜態型電路如圖3.59所示（這種電路也可看作是下述動態型的變種）。這是一種通過Φ2加反饋使信號得以長期保持的電路。

（2）動態型移位寄存器

動態型移位寄存器與節（1）所述的靜態型不同，是一種利用柵上可暫存信息的MOS特有功能而構成的移位寄存器。這種移位寄存器每一位只用6個晶體管，不難做出位數多的電路?；倦娐啡鐖D3.60所示?，F在我們看一看在輸入端加圖3.61所示的輸入信號VIN，Φ1，Φ2有圖示的關系時，一位的輸出（C點）波形Vo如何。

在狀態1，Φ1加“1”電平電位，所以晶體管Φ2、Φ3呈導通狀態。但由于輸入端信號零，“1”電平的電位傳遞到B點。MOS移位寄存器。Φ2上只輸入“0”電平電位，所以Q5、Q8處于截止狀態。從而，B點的“1”電平電位向Q4的柵電容Cg充電。

在狀態2，Φ1、Φ2都是“0”電平電位，Q2、Q3、Q5、Q6均處于截止狀態，因輸入信號是是“0”電平，所以B點保持在狀態1。

進入狀態3時，Φ2處于“1”電平狀態，Q5、Q6導通。從而Q4導通，在C點輸出“0”電平電位。在這種狀態下，輸入端雖有“1”電平信號進入，但因Φ1處于“0”電平，輸出不受影響。

狀態4與狀態2相同，Φ1、Φ2均為“0”電平電位，所以狀態3得以保持。

進入狀態5后，Φ1處于“1”電平電位，輸入端也處于“1”電平電位，所以A點為“0”電平，充電于Q4柵上的電荷通過Q3、Q1放電，B點變為“0”電平。此時Φ2為“0”電平，所以C點仍保持以前的狀態。

狀態6是保持狀態。進入狀態7后，Φ1為“0”電平，Φ2變為“1”電平，所以Q5、Q6導通，但因Q4柵上的電荷全被放光，所以Q4截止，輸出端C輸出“1”電平。狀態8是保持狀態，進入狀態9后，Φ1為“1”電平，Q2、Q3導通，但輸入端處于“0”電平，所以B點呈“1”電平。由于Φ2為

“0”電平，C點仍保持狀態7。

狀態10是保持狀態。進入狀態11時，Φ1為“0”電平電位，Φ2為“1”電平電位，所以Q5、Q6導通，但由于B點為“1”電平，輸出端C點變為“0”電平。將以上各狀態概括起來，有圖3.62的波形關系。

在狀態1，當頻率降低即進入Φ2的時間較長時，充電在Cg上的電荷，由于電荷Q4的柵與襯底間漏電而逐步衰減，使信號消失。因而，這類移位寄存器的工作頻率有一個下限。MOS移位寄存器。漏電越小，工作頻率的下限就越低。從定量的角度考慮，Q4柵上的電荷通過Q3漏泄掉，Q4的柵電壓降至Q4的閾值電壓（Vth）的時間可謂下限工作頻率。簡而言之，就是所決定的時間。假設漏電阻為R=10¹¹Ω，常溫下頻率下限約為3Hz。MOS移位寄存器。然而，反向偏置P-N結的漏電以及氧化膜的表面態，都能使漏電發生變化。工藝條件的優劣也能使下限頻率改變。

現在我們再來看看頻率上限。由于通過導通的晶體管Q2、Q3向Q4的柵充電，假定Q2、Q3的導通電阻是線性的，設為R2、R3，則圖3.63的上升時間tr為

由于Q4的柵電荷通過Q3、Q1放電，假定Q3、Q1的導通電阻是線性的，設為R3、R1，則下降時間為

兩式中的Ci為P-N結電容，Cg為Q4的柵電容。

今設R2=100kΩ，R3=20kΩ，R1=3kΩ，Ci=0.2pF，Cg=0.3pF，則

由于是兩相時鐘脈沖，是上限頻率。

此頻率上限與功耗也有關系。若增加每一位的功耗，即減少導通電阻時，就可以縮短上升和下降時間，提高頻率上限。

這類移位寄存器的輸出級由緩沖器構成，便于與后續電路匹配。輸出緩沖器的例子示于圖3.64。舉東芝公司生產的64位移位寄存器TM4105M為例，其輸出電壓和輸出電流之間的關系如圖3.65所示。根據這種特性可以做出與雙極型電路連接的各種電路。

動態型移位寄存器只在加時鐘脈沖時才有電流流過。從而可由脈沖寬度和占空因數來改變功耗。無論如何，與靜態型移位寄存器相比，其功耗也是小的，這是它的特點。

（3）多相時鐘移位寄存器

兩相時鐘的動態型移位寄存器已在第（2）節講過。為了降低功耗、減小元件尺寸及提高成品率，可考慮三相、四相、六相時鐘的移位寄存器。此處對最一般的四相時鐘移位寄存器進行討論。

圖3.66給出四相時鐘移位寄存器的基礎一一寄存器的1位的電路。元件數是6個晶體管，與兩相時鐘的情形相同。MOS移位寄存器。我們看一看各時鐘有圖3.66的時間關系而輸入信號又如圖所示的情形。在狀態1，全部時鐘均為“0”電平，即使輸入信號為“1”電平，也完全不影響輸出狀態。在狀態2，若Φ1加“1”電平電位，則晶體管Q1導通，A點的Cg充電到VDD。此時，加輸入信號，但Φ2為“0”電平，所以Q2截止，A點的電荷得以保持。

進入狀態3時，Φ2加“1”電平電位，Q2導通。但由于其它時鐘都是“0”電平，所以Q1、Q4、Q5、Q6截止。又由于Q3有輸入信號，故Q3導通。結果，A點的電荷，在有時鐘脈沖Φ2、有輸入信號的時間內放電。當Φ3、Φ4均為“1”電平時也可作完全一樣的考慮。結果，也可用四相時鐘脈沖獲得1位延時。

四相電路的速度比兩相電路高四倍。下面對此進行計算。

等效電路如圖3.67所示。上升時間ton可近似寫作。今設，則有。算得下降時間toff約為13.65ns，短于上升時間ton，這就是預充電時間。因系四相電路，約需要56ns。MOS移位寄存器。這意味著可在18MHz的頻率下工作。這比兩相時要快得多。只在CN充放電時有功耗。從而功耗可按結點=FCNVDD²進行計算。F是時鐘頻率。設頻率為1MHz，則結點=0.3×10^-12×12²×10⁶=43.2μW。功耗比兩相時小兩個數量級。

上面敘述了四相時鐘移位寄存器的特性，如進一步巧妙地使用時鐘脈沖，即可構成各種電路。兩相無比電路是用兩相脈沖使電容器充放電，用來傳輸信號的移位寄存器。圖3.68就是這種兩相電路。如適當選取電容器C1和C2的比值，晶體管Q1和Q2就可以采用同樣尺寸（同樣的gm）的元件。并且該電路只有電容器的充放電，沒有直流電流流過，只流過過渡電流，所以功耗極低。

也有時鐘數目更多的移位寄存器。六相移位寄存器的例子，如圖3.69所示。增加時鐘數目，將使時鐘驅動等外圍電路變得很復雜，所以除了降低功耗外，優點極少。

目前最常用的是兩相有比電路和兩相無比電路。

此外尚有使用互補電路的移位寄存器。在幾種類型的互補移位寄存器。在幾種類型的互補移位寄存器中，典型的例子如圖3.70所示。其優點是能高速工作，低功耗等，這些優點是用單溝道構成的移位寄存器所不具備的。

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