Das ist das Schaltungskonzept einer Bitspeicherzelle in einem SRAM. gate

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1 9. Speiheelemete Die Wiug vo Rüoppluge Shaltetze habe eie haateitihe Eigehaft: ie ethalte eie Rüoppluge. Welhe Wiug eie Rüopplug habe a, oll a folgedem Beipiel gezeigt wede Duh die Rüoppluge etteht ei Shaltelemet, i dem ih die Ei- ud Augagwete de Ivete gegeeitig betätige. Ei eimal eigetellte Wet bleibt duh diee weheleitige Betätigug ehalte. Die Rüoppluge ezeuge alo ei Speiheelemet. Da it da Shaltugozept eie Bitpeihezelle i eiem SRAM. Ei Taito i de og. Emittehaltug (Bezugpotetial liegt am Emitte) wit al Ivete zwihe dem Eigapaugigal a de Bai ud dem Augagigal am Kolleto. V V dd V dd + + R L R L R L We ma de bipolae Taito duh eie MOS-Taito eetzt, ealiiet da auh eie Ivete. I goßitegiete Shaltuge wid de Widetad im oue-dai- Stomei auh duh eie Taito ealiiet. gate dai mo Taito oue We ma i eiem Ivetepaa eweil de Dai-Pol mit dem Gate-Pol vebidet, etteht die gewühte Rüopplug de Ivete. Damit ehält ma die Gudhaltug eie Bitpeihezelle. Eie olhe Speihezelle wid daduh eigetellt (gehiebe), da ma übe eie Taito-Shalte e eie Vebidug zu zwei Dateleituge hetellt, die da Datebit ud eie ivee Wet e al Spaugwet vogebe. Diee päge die Spaugwete diet a de Dai- bzw. Gate-Pole ei. 49

2 + + R L R L Auwahl-Leitug i D i D i Sobald die Taito-Shalte im Spezutad id, bleibt de gepeihete Zutad ehalte (bi die Stomveogug abgehaltet wid: de gepeihete Zutad it flühtig ). Beim Lee it e umgeeht. Auf de Dateleituge omme eie eigepägte Shaltwete zu Übeahme a, ode die Spauge a de Dai-Pole wede auf die Dateleituge eigepägt ud da vo de Dateleituge zu Weitegabe a die IC-Shitttelle übetage. Eie Eibli i die tatählihe phyialihe Realiieug gewäht folgede Bild. Die Pfeile zu Maieug de Taitoe zeige geau auf die Gate-Zoe. Die ymmetih dazu liegede id ifällig. Die utee beide Taitoe id die Shalte zu Vebidug mit de zueiade ivee Dateleituge. Da helle quelaufede utee Bad it die Spu de Auwahlleitug. Die beide dule vo ute ommede Steife id die Dateleituge, die eweil zum Soue-Pol de Taito-Shalte fühe. Die beide dazugehöede Dai-Pole id duh die dule Steife mit e eiem Dai-Pol de zweite mittlee Taitopaae, de Speihetaitoe, vebude. Die beide helle vetiale Steife id die Spue de Gate-Leituge. Die Shiht mit de üoppelde Leitebahe fü die eweilige Vebidug zwihe dem Dai-Pol de eie Speihe-Taito zum Gate-Pol de adee Taito it iht eeba, weil ie zu Hetellug de Aufiht etfet wode it. 50

3 Eitellbae Speiheelemete am Beipiel de RS-Flip-Flop Diee elemetae Speiheelemet it u duh diete Eiflu auf die ügeoppelte Sigalwete eitellba. E oll abe ei Speiheelemet gehaffe wede, da mit Hilfe vo Gatte eitellba it. Dabei daf da Gatte de Rüoppelzweig iht äde, mu abe mit eie Shaltvaiable eie Eitellmögliheit haffe. Da geligt etwede mit eiem UND- ode mit eiem ODER-Gatte. Fü ei UND-Gatte gilt folgede: x 1 1 y1 1 y x 2 2 x 1 x 2 y 1 y De maßgeblihe Eigaghaltwet it die 0. Diee Eigag ezwigt die 1 am etpehede Augag. 1 1 De eigetellte Wet bleibt ehalte. 0 0 De eigetellte Wet wid zetöt. Damit hat ma ei Speiheelemet ezeugt, dee beide Augagvaiable ativalete Wete habe. Die Augagvaiable wede ud geat. Da die Shaltug ymmetih aufgebaut it, a ma beliebig fetlege, z. B. oll y 1 = ei. Da egebe ih die Bezeihuge de Eigagvaiable au de Futio de Shaltug. wid 1, we x 1 = 0 ud x 2 = 1 it. Maßgeblih fü da Setze vo = 1 it x 1 = 0. Ma et x 1 de Setzeigag (et). Die Kuzbezeihug it. Da da Setze mit = 0 efolgt, wid die etpehede Eigagvaiable de Speiheelemete mit bezeihet. Ma et eie olhe Vaiable ativ-0 bzw. ativ-low. wid 1, we x 2 = 0 ud x 1 = 1. Ma et x 2 de Rüetzeigag (eet). Die Kuzbezeihug it. Da da Rüetze mit = 0 efolgt, wid die etpehede Eigagvaiable de Speiheelemete mit bezeihet. Die it alo ebefall eie ativ-0- bzw. ativlow- Vaiable. 51

4 Mit diee Bezeihuge ud de Zuammefaug de Gattefutioe ud de üblihe Datellug de Rüopplug egibt ih die üblihe Shaltugdatellug fü da og. RS-Flip-Flop mit ügeoppelte NAND-Gatte. Die Eigagvaiable de Speiheelemete wede auh Steueeigäge geat, weil ie die Eitellug vo teue. De Shaltzutad de Augagvaiable gibt de Zutad de Speiheelemete a. Will ma de Zutad de Speiheelemete mit dem Shaltwet 1 eitelle, mu ma a de Eigäge Ivete eifüge. Daau it auh da allgemeie Symbol fü da RS-Flip-Flop abgeleitet. 1 1 Ma a die Eitellug de ügeoppelte Ivete auh mit ODER-Gatte aufühe. x 1 >1 1 y1 >1 x 1 y 2 2 De maßgeblihe Eigaghaltwet it die 1. Diee Eigag ezwigt die 0 am etpehede Augag. x 1 x 2 y 1 y De eigetellte Wet wid zetöt. 0 0 De eigetellte Wet bleibt ehalte. 52

5 ud wede wie obe de Augagvaiable zugeodet. wid 1, we x 1 = 0 ud x 2 = 1 it. Maßgeblih fü da Setze vo = 1 it x 2 = 1. Ma et x 2 de Setzeigag (et). Die Kuzbezeihug it. Da da Setze mit = 1 efolgt, wid die etpehede Eigagvaiable de Speiheelemete mit bezeihet. Ma et eie olhe Vaiable ativ-1 bzw. ativ-high. wid 1, we x 1 = 1 ud x 2 = 0. Ma et x 1 de Rüetzeigag (eet). Die Kuzbezeihug it. Da da Rüetze mit = 1 efolgt, wid die etpehede Eigagvaiable de Speiheelemete mit bezeihet. Die it alo auh eie ativ-1- bzw. ativ-high- Vaiable. >1 >1 Die ymbolihe Datellug maht eie Utehied zwihe de Realiieug mit NAND- bzw. mit NOR-Gatte. Sie hat da Memal, da ei Steueeigag die hoizotal zugeodete Augabevaiable etzt. Da a ma abe u bei de NAND- Realiieug aalog umetze. Im Folgede wid atelle de aufühlihe Shaltug da Symbol geomme. Eetzt ma diee Symbol duh eie Shaltug, da mu ma e Typ auf die ihtige Zuoduge ahte. Tatabhägige Steueug vo Flip-Flop am Beipiel de RS-Flip-Flop Fü die Awedug a e wihtig ei, die Eitellug de Zutade u zu gaz betimmte Zeite zuzulae, oet i gaz betimmte Zeititevalle mit geau vogegebeem Afag ud Ede. Da mu ma die Steueeigäge im Sie eie Tohaltug oditioiee. We da To geöffet it, oll eie Ädeug möglih ei. We da To gehloe it, oll eie Ädeug möglih ei. Da leitet ei UND-Gatte. Ab hie wede die Pfeile zu Vedeutlihug de Ei- ud Augäge weggelae. Tat 53

6 Bei diee Löug wid da To mit dem Tatpegel = 1 geöffet. Dehalb wid da Flip-Flop poitiv tatpegelgeteuete Flip-Flop geat. Soll da To mit Tat = 0 geöffet wede, egibt ih ute Vewedug de Shaltymbol folgede Shaltug ud dee Eatzymbol. Tat 1 Da it ei egativ tatpegelgeteuete Flip-Flop. Stellt ma da Vehalte diee Flip-Flop fü eie beipielhafte Fall al Sigal- Zeit-Diagamm da, eet ma, da de Zutad de Flip-Flop o lage duh die Shaltwete a de Steueeigäge geteuet wid, wie de Tatpegel = 0 it. Im Folgede wede die Übegagzeite de Sigalflae ud die Duhlaufzeite veahläigt, weil ie gegeübe de Daue de Pule eie Rolle piele. Tat Wüde ma da To u fü eie uze Momet öffe, da öte die Steueeigäge auh u i dieem uze Zeitfete ode Abtatmomet wie. Tat Ei olhe Vehalte it mit eifahe Mittel zu ealiiee. Ma fomt da Tatigal mit Hilfe eie mit gezielte Duhlaufzeit (ode veüzt Laufzeit) ivetiete Sigal. We ma da oigiale ud da ivetiete Sigal ODERveüpft, ehält ma eie Pul de Daue de Laufzeit. 54

7 Tat τ 1 τ 1 τ 2 τ 1 τ 2 τ 1 zeitlih gedeht Tat >1 1 Laufzeit τ 1 Laufzeit τ 2 Übug: E oll au de ativ-high-vaiable Tat ei poitive Pul ezeugt wede. Welhe Shaltug gilt da? Veifiziee Sie, da ei poitiv tatpegelgeteuete RS-Flip-Flop ih geauo vehalte wüde wie da egativ tapegelgeteuete de Beipiel. Die Shaltug hat eie Nahteil: die Pulbeite de Shaltug wid vo de Fetiguggeauigeit de Laufzeit de Ivete abhägig. Geuht it eie Shaltug, die davo uabhägig it. A de ete Löug eet ma außedem deutlih, welhe Wiug ma eziele will: e oll u eie de Sigalübegäge wiam ei, hie de Übegag vo 1 = High auf 0 = Low. Ma et die egative Tatflae. De Übegag vo 0 = Low auf 1 = High, die poitive Tatflae, oll uwiam ei. Sigemäß a ma egäze, da e i adee Shaltugaweduge umgeeht ei a. Die Fodeug it, da die Speihehaltug im Momet de egative Tatflae de duh die Steueeigäge eigetellte Wet fethält ud iht veädet, bi eie eue egative Tatflae efolgt. Augagput de Löug id poitiv tatpegelgeteuete Flip-Flop. Ei poitiv tatpegelgeteuete RS-Flip-Flop hat die bauhbae Eigehaft, da e de Zutad, de zum Zeitput de egative Tatflae eigetellt it, ah dem Ede de Flae uveädelih fethält. E hat abe de Nahteil, de eigetellte Wet wiede zu veliee, obald de Tat wiede 1 wid. Geau da mu vehidet wede. We ma de Wet iht veliee will, mu ma ih peihe. Da bedeutet ei weitee Flip-Flop, da de Wet fethält, we de Tat = 1 wid. We da zweite Flip-Flop de Zutad de adee übeehme oll, müe eie Eigäge vo de Augäge de ete geteuet wede. Da it eie Hiteeiade-Shaltug. Da zweite Flip-Flop mu i dem Momet de Zutad de ete übeehme, i dem diee veiegelt wid, ud e mu i dem Momet veiegel, i dem da ete mit Tat = 1 betiebe wid, alo öffet. Da bedeutet, die beide Flip-Flop müe mit iveem Tat betiebe wede. 55

8 m m m m m Tat 1 Da Vehalte diee Shaltug fü eie beipielhafte zeitlihe Ablauf vo ud it: Tat m of fe veiegelt offe veiegelt veiegelt offe veiegelt offe Gemäß de Stutu wid die Shaltug Mate-Slave-Flip-Flop geat. De Augag de Slave-Flip-Flop gibt de Zutad de geamte Flip-Flop a. E it imme de Zutad, de bei de egative Tatflae gemäß, am Eigag eigetellt ei oll. Damit ealiiet diee Mate-Slave-Flip-Flop ei egativ tatflaegeteuete Flip-Flop. Al Symbole fü egativ tatflaegeteuete RS-Flip-Flop vewedet ma folgede: Fü die poitiv tatflaegeteuete RS-Flip-Flop gibt e u ei Symbol: Übug: Etwiel Sie da poitiv tatflaegeteuete RS-Flip-Flop. Wie ieht da da Sigal-Zeit-Diagamm gemäß dem gegebee Beipiel au? 56

9 De Nahteil de RS-Flip-Flop it, da eie Steueombiatio am Eigag iht geutzt wid, a vebote it, weil ie de Zutad de Flip-Flop zetöt. Mit eie gehite Eweiteug a ma abe eie eue, bauhbae Eigehaft hizufüge. Da flaegeteuete JK-Flip-Flop Beim RS-Flip-Flop it die Kombiatio = 1 ud = 1 vebote. Eie ützlihe zuätzlihe Futio wäe e, we ma de atuelle Zutad eie Flip-Flop ivetiee öte. Da geligt, we ma al vewedet ud al. we = 1 it, wid de Rüetzeigag 1 ud damit wid zuügeetzt; we = 1 it, da wid de Setzeigag 1 ud damit wid geetzt. Da mu ma mit de Tatahe vebide, da die beide Eigäge 1 id. Die beide Eigagvaiable olle ud heiße. Die bedigte Eigagfutioe laute alo: = ud =. Zuätzlih oll gelte: We = 0, alo = 1 it, oll = 1 da Flip-Flop etze. We = 1, oll = 1 da Flip-Flop üetze. Da bedeutet: = + = = + = Tat Duh die Rüopplug etteht eie Itabilität. Dafü ogt die Tatahe, da da RS-Flip-Flop tatflaegeteuet it. We de Zutad am Augag ih ädet ud ügeoppelt wid, it die Flae lägt abgelaufe ud e gibt eie Wiug i da Flip-Flop. Übug: Veifiziee Sie, wa im Falle eie tatpegelgeteuete Flip-Flop gehehe wüde. Ma et diee eweitete Flip-Flop-Typ JK-Flip-Flop. Mee: etpiht ud etpiht beim RS-Flip-Flop. 57

10 Die Symbole fü da JK-Flip-Flop id - wie beim RS-Flip-Flop - vom Typ de Flaeteueug abhägig. Da flaegeteuete T-Flip-Flop We ma u die beide Eigäge de JK-Flip-Flop gleih 1 maht, da wid bei ede ative Tatflae ei Wehel de Zutade eitete (eglih: toggle). Die Shaltug ud eie alteative ymbolihe Datellug zeigt folgede Bild: T-FF Da Flip-Flop heißt Toggle-Flip-Flop ode T-Flip-Flop. Die poitiv tatflaegeteuete Vaiate a ma igemäß egäze. Da flaegeteuete D-Flip-Flop Eie adee Shaltug de JK-Flip-Flop peihet ei vogegebee Bit. 1 D-FF Da Bit am Eigag wid mit de ative Tatflae al Zutad übeomme. Da Flip-Flop heißt Date-Flip-Flop ode D-Flip-Flop. Die poitiv tatflaegeteuete Vaiate a ma igemäß egäze. E gibt flaegeteuete D-Flip-Flop, abe auh pegelgeteuete, die ma übige Lath et. Übug: Veifiziee Sie, da ma ei D-Flip-Flop auh mit eiem RS-Flip- Flop ealiiee a. Gebe Sie de Gatte-Shaltpla eie pegelgeteuete D-Flip-Flop a, da mit eiem RS-Flip-Flop aufgebaut it. 58

11 Regite E it i de Ifomatioveabeitug wihtig, ei Datewot vo mehee Bit, da zu eiem betimmte Momet vohade it ud päte flühtig it, hell zu peihe, damit e fü die Veabeitug ehalte bleibt. Da a ma daduh ealiiee, idem ma ede Bit eiem D-Flip-Flop zufüht ud diee da gleihzeitig (= yho) mit de ative Tatflae tatet. Beipiel: ei 4 Bit Datewot D D Diee Shaltug heißt Regite, eie de elemetae Shaltuge i de Ifomatioveabeitug D D Fomale Futiobeheibug de Flip-Flop Im Folgede wid die Futiobeheibug auf die tatflaegeteuete Flip- Flop behät. De Shaltwet de Augagvaiable i de Fom bzw. ädet ih iht, we ih die Shaltwete de Eigagvaiable äde. Da it de weetlihe Utehied zu de Shaltetze. Vielmeh wid de zuüftige Shaltwet de Augagvaiable vo de ative Tatflae vobeeitet. Ade augedüt: De Zutad ah de Tatflae it eie Futio de Shaltwete de Eigagvaiable vo de ative Tatflae. Nimmt ma ei beliebige Itevall, da mit de Tatflae edet, da begit mit diee Tatflae da folgede Itevall +1. Etpehed gilt: +1 = f ( E 1, E 2 ), we E i die Eigagvaiable bezeihet. Diee Futioe heiße Übegagfutioe. Ma a die Wetetabelle de Flip-Flop etpehed agebe ud daau die Übegagfutioe emittel. 59

12 Übegagfutio RS-Flip-Flop: uzuläig uzuläig +1 = + + = + Uzuläig bedeutet: ommt iht vo, wofü de Etwile de Shaltug oge mu. Die Tatahe, da eie Shaltwet-Kombiatio iht voommt, bedeutet, da ie 0 it, alo = 0. Ma a de zugehöige Tem i eie diutive Nomalfom egäze, ohe da die Shaltfutio ih ädet: +1 = + + = + = + A dieem Beipiel wid deutlih, waum ma edudate Teme ah Bedaf i die diutive Nomalfom eibeziehe a. Sie wie wie ei ODER mit 0. Übegagfutio JK-Flip-Flop: uzuläig = = Übegagfutio T-Flip-Flop: e = e + e Übegagfutio D-Flip-Flop e = e 60

13 Damit id die gudätzlihe Memale de wihtigte digitale Speiheelemete vogetellt. E oll oh ei Speiheelemet egäzt wede, da, e ah Behaltug, utehiedlihe Läge vo Zeititevalle peihe a. Ei Speiheelemet fü eie eitellbae Zeitdaue: Moo-Flop I mahe Aweduge beötigt ma We-Eeigie, die dem We-Eeigi ah dem Ablauf eie Eie-Uh etpehe. Dabei oll ah dem Ablauf eie vogegebee Zeititevall ei Sigal gegebe wede, da i eie Ziel-Shaltug eie betimmte Reatio aulöt. Ei olhe Sigal heißt übliheweie Tigge. De Tigge a ma mit Hilfe eie Zählhaltug ealiiee, die oh bepohe wede. E gibt abe auh Speiheelemete, die die A- ud Abtiegzeite vo Auf- bzw. Etladevogäge vo Kapazitäte utze. Da Pizip it au folgede Shaltug eeba. U a t a V b U b Ede de Aufladevogag t t 0 bedeutet 0 V, 1 bedeutet V : Im Gudzutad it U b = 0, wa = 1 ud = 0 bedeutet. Sobald U a = 0 wid, wid = 1, ud e bildet ih ei Aufladetom duh die Kapazität ud de Widetad. Diee it zuäht V / R ud immt da expoetiell ab. Je göße da Podut R C (Zeitotate) it, umo läge dauet da Auflade. De Aufladetom ezeugt a R die Spaug U b, die popotioal zum Aufladetom - vo V augehed - abimmt; de U = R I. Solage diee Spaug eie betimmte Wet iht uteheitet, wit ie al 1 am NAND-Gatte fü ud bleibt 0. Die Spaug U a bauht u pulatig 0 zu ei, d.h. ie a wiede 1 wede, obald da ügeoppelte = 0 die Wiug ihe 0-Wete übeimmt. De Aufladevogag etzt ih fot. Sobald abe U b de Gezwet uteheitet, wit U b al 0, wid 1 ud wid 0. Daah wid ih de Kodeato etlade ud de Gudzutad wiede eeiht. Übug (fü ET/IT): Ageomme, de Gezwet liege bei ¼ V. Egäze Sie de Spaugvelauf ah dem Ede de Aufladevogag, wobei Sie de Afagwet vo U b zu Begi de Etladevogag geau agebe? Moo-Flop id eie eie digitale Shaltelemete, weil ie eie aaloge Poze fü die Realiieug ihe Zwee bauhe. - Sie habe u eie tabile Zutad, de Gudzutad. De adee Zutad it itabil. - Flip-Flop habe zwei tabile Zutäde. 61

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