JK触发器的设计

JK触发器的设计

一、JK触发器的组成

在实际的数字系统中往往包含大量的存储单元，而且经常要求他们在同一时刻同步动作，为达到这个目的，在每个存储单元电路上引入一个时钟脉冲（CLK）作为控制信号，只有当CLK到来时电路才被“触发”而动作，并根据输入信号改变输出状态，把这种在时钟信号触发时才能动作的存储单元电路称为触发器。触发器是边沿触发工作，即只有在上升沿或者是下降沿到来时才会改变内部与输出的电平。

JK触发器是触发器的一种，这里介绍主从JK触发器，它实际是由主从两个锁存器构成，有六个三输入与非门与两个二输入与非门构成。它有两个数据输入端J、K，一个时钟脉冲CLK，两个置位/复位端SD、RD，两个输出端Q与Q。其电路图如下所示： JK触发器的特性方程为：QJQ(0)KQ(0)

二、JK触发器的工作原理

如上原理图所示：RD与SD为置位/复位控制端，由于用的是与非门，置位与复位控制端为低电平有效。当SD=0，RD=1时，置位端有效，Q1，Q0，输出置1；当SD=1，RD=0时，复位端有效，Q0，Q1，输出端置1；当SD=1，

RD=1时，置位与复位端都不起作用，触发器正常工作。CLK为时钟脉冲，主锁

Q主随着输入信号JK的变化而变化，存器是高电平跳变，当CLK=1时，而当CLK=0

时，主锁存器被锁定，Q主的值不发生变化；从锁存器是低电平跳变，当CLK=1时，从锁存器锁定，Q的值不发生变化，当CLK=0时，锁存器开启，Q的值随着

Q主值得变化而变化。因此对于触发器来说，只有当CLK的值由高电平变为低电

平的时候（即CLK的下降沿），触发器被触发，Q的值会发生变化。而对于锁存器，当J=K=1时，锁存器发生翻转；当J=1，K=0时，锁存器置1；当J=0，K=1时，锁存器置0；当J=K=0时，触发器的状态保持不变。

根据上述工作原理，我们可以列出JK触发器的真值表： J K 0 1 X X X X X 1 0 1 0 X X X X X 0 1 1 1 ↓ 0 0 0 1 0 1 1 1 ↓ 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ↓ 0 1 ↓ 0 1 ↓ 1 1 ↓ 1 1 ↓ 1 1 ↓ 1 1 ↑ X 1 ↑ X 由以上真值表可以求得： 1 1 0 0 1 1 X X 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 当置位/复位端都为1，时钟脉冲为下降沿时，QJQ(0)KQ(0)； 当置位/复位端都为1，始终冒充为上升沿时，QQ(0)。

0 1 1 1 1 1 1 对真值表进行简化，如下： J 1 X X 0 X X 1 ↓ 0 1 ↓ 0 1 ↓ 1 1 ↓ 1 1 ↑ X K X X 0 1 0 1 X 1 0 0 1 0 1 1 0 功能 置1 置0 保持 置0 置1 翻转 保持 三、JK触发器的设计

由于该JK触发器由六个三输入与非门、两个二输入与非门和一个反相器组成，因此可以采取模块化设计方法，先创建三输入与非门、二输入与非门和反相器的原理图和版图，然后通过调用它们的原理图和版图来设计JK触发器。

1）JK触发器原理图的创建

首先来创建JK触发器的原理。

先创建三输入与非门的原理图与symbol，如下所示： 接着创建二输入与非门的原理图与symbol： 创建反相器的原理图与symbol：

然后通过调用反相器、二输入与非门和三输入与非门的symbol来创建JK触发器的原理图。

红色方框中为主锁存器，在CLK为高电平时跳变；蓝色方框中为从锁存器，由于其时钟脉冲前加了一个反相器，它是在CLK为低电平时跳变。

创建JK触发器的symbol，以便搭建仿真测试电路： 2）JK触发器版图的创建

JK触发器版图的创建与原理图创建一样，也采取模块化设计原则。 先创建三输入与非门的版图，如下左图所示： 接着创建二输入与非门的版图，如上右图所示： 创建反相器的版图，如下所示：

最后通过调用三输入与非门、二输入与非门和反相器的版图来生成JK触发器的版图，如下所示：

对JK触发器的版图进行DRC验证，结果如下： 对JK触发器的版图进行LVS验证，结果如下： 对JK触发器的版图进行PEX验证，结果如下：

3）JK触发器的仿真验证

对JK触发器的功能进行仿真验证。

首先创建一个仿真电路图，如下图所示。

SOUCRE所接电源为5V直流信号，S_，D_，J，K，CLK所接电源分别为周期为30us、40us、1us、7us、8us的0~5V的方波信号，设置好仿真环境，对输入端S_、D_、J、K、CLK和输出端Q、Q_进行瞬态仿真。仿真波形如下所示：

图中由上到下七个波形分别为S_、R_、CLK、J、K、Q、Q_，对图中波形进行分析。

对于S_与D_，S_=1，D_=1时，输出Q与Q_随J、K信号的变化而变化；当S_=0，D_=1时，Q=1，Q_=0，直接置1，J、K信号无效；当S_=1，D_=0时，Q=0，Q_=1，直接置0，J、K信号无效；当S_=0，D_=0时，Q=1，Q_=1。J、K无效，此时Q与Q_电位并不是相反。

除了S_、R_均为0的情况外，S_、R_端的功能与真值表中的描述完全一致，而由JK触发器的电路图可以退出S_、R_均为0时，Q与Q_的输出都为1。

将上图中中S_、R_均为1时，CLK、J、K、Q、Q_的图形进行放大可以得到下图。

由上图可以分析触发器中输入端J、K的作用，显然由上图分析可得，J=1，K=1时，实现翻转功能；J=1，K=0时，实现置位（置1）的功能；J=0，K=1时，实现复位（置0）的功能；J=0看，K=0时，则输出情况保持不变。显然波形图与真值表中J、K的功能一致。

引入寄生参数，对JK触发器进行后仿真，结果如下。 左侧为前仿真波形，右侧为后仿真波形，前后波形一致。 将波形放大来观察前仿真与后仿真延迟时间的差别。

观察放大后的前后仿真波形图进行对比，前后仿真的延迟时间基本一致。