61、数字电路中的双稳态元件、锁存器与触发器详解

数字电路中的双稳态元件、锁存器与触发器详解

1. 双稳态元件

双稳态元件存在三个平衡点，可通过图 7 - 3 中的两条传输曲线交点以图形方式找到。其中两个标记为稳定平衡点，对应之前“严格数字”分析确定的两种状态，即 Q 为 0（低电平）或 1（高电平）。第三个标记为亚稳态平衡点，此时 Vout1 和 Vout2 处于有效逻辑 1 电压和有效逻辑 0 电压的中间位置，Q 和 Q_L 不是有效的逻辑信号，但环路方程仍满足。理论上，若电路能在亚稳态点工作，可无限期保持在此状态。

1.1 亚稳态行为

对亚稳态点的情况进行更深入分析可知，其名称名副其实。它并非真正稳定，因为随机噪声会使处于亚稳态点工作的电路趋向于一个稳定工作点。例如，假设双稳态电路精确地在图 7 - 3 中的亚稳态点工作，少量电路噪声使 Vin1 略微降低，这会使 Vout1 稍有增加。由于 Vout1 产生 Vin2，可从亚稳态点附近沿第一条水平箭头到第二条传输特性曲线，此时要求 Vout2（即 Vin1）为更低电压。这样又回到起点，但 Vin1 的电压变化比原始噪声引起的变化大得多，且工作点仍在变化。这种“再生”过程会持续，直到到达图 7 - 3 左上角的稳定工作点。而对任一稳定工作点进行“噪声”分析，会发现反馈会使电路回到稳定工作点，而非远离它。

双稳态的亚稳态行为可类比为将球扔到山上的情况，如图 7 - 4 所示。若从上方扔下球，它可能立即滚到山的一侧。但如果球正好落在山顶，可能会不稳定地停留一段时间，直到随机力（如风、啮齿动物、地震）使其滚下山。就像山顶的球一样，双稳态可能在亚稳态停留一段不可预测的时间，然后非确定性地进入一个稳定状态。

若最简单的时序电路都易出现亚稳态