Question

锁存器的原理

Answer 1

CMOS反相器的功能是可以使输出获得跟输入相反的逻辑值，那如果把两个反相器的输入跟输出连接在一起会出现什么情况呢？我们来看下图，假设某个时刻反向器A的输入是1，那么其输出会是0；因为A的输出连接到B的输入端，即反相器B的输入为0，那么其输出会变为1；又因为B的输出连接到A的输入端，即B输出的1反馈回A的输入，对刚才假设的“A的输入为1”进行了确认和加强。此时A的输入确实为1，按A和B的输入输出连接关系，又走了一遍刚才的路程，如此循环，结果是反相器A的输出稳定为0，反相器B的输出稳定为1。这个结构的电路有两个稳定的状态，一般称之为双稳态电路。可见类似的双稳态电路可以稳定地保持其节点中的值（数据），具有记忆功能，这就是锁存器工作的原理。

从上面介绍可看出，首尾相接的两个反相器构成了互相反馈耦合的形态，这就是锁存器的基本电路结构。但是这里是基于一个假设，假设反相器A的输入为1，那么它的输出为0，两个反相器连在一起通过互相反馈加强，则能保持0和1两个值。如果没有这个假设，它能保存的值将是不确定的。这类似于“鸡生蛋还是蛋生鸡”的谜局，要将此电路当锁存器使用，就必须打破这个“是输入先有0，还是输出先反馈回1”的僵局。于是给它加了两个输入端，由于反相器只有1个输入，因此改用或非门来代替。电路结构如下图，根据或非门“只要有一个输入为1，其输出就为0”的特性，当R为1时，虽然有反馈存在，也可以强制输出Q=0；当S为1时，则强制输出Q=1。这就是R-S锁存器，R意为Reset，清零的意思；S意为Set，置1的意思。

R-S锁存器的结构是最基本的锁存结构，实际应用中一般会进行各种改造和扩展，至少会加一个输入端作为控制信号，该信号有效时，锁存器能持续地输入、输出数据。其控制信号一般为高电平，因此锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。锁存器的最主要作用是缓存，除了特殊用途如异步电路或很简单的逻辑，其他场合已经很少直接应用锁存器，因为其结构简单而且对电平敏感，不适合在主流的对时钟敏感的集成电路中应用。一般都是使用以锁存器为基础的触发器或寄存器。