WGexでフリップフロップを作る

※ここにおいてあるファイルは、GitHubにもおいてあります→https://github.com/akita11/mklsi/tree/master/FlipFlop

Dフリップフロップ(D-FF)の設計

論理回路の醍醐味は順序回路、で、そのためにはフリップフロップ！というわけで、D-FFをつくってみたいとおもいます。

D-FFの中身もいろいろありますが、ここは「準スタティック型」と呼ばれるやつを使ってみます。

https://makelsi.github.io/images/docs/wgex_flip_flop/DFFsch.png

詳しい方なら、「お？マスタースレーブ式か？」と思われるかもしれませんが、基本的にはそうです。↓のクロックト・インバータというやつを使っています。

https://makelsi.github.io/images/docs/wgex_flip_flop/cinv_sch.png

これは、CK=0/CKb=1のときはふつうのインバータと同じですが、CK=1/CKb=0のときは出力がHigh-Zとなる、というやつです。

これをレイアウトするとこんな感じになります。インバータを1個つくって、そいつをいじってクロックト・インバータをつくって、それを横に並べながらつないでいくと、案外簡単につくれます。なおCKbはCKの反転なので、インバータでCKからつくっています。

ちなみに電源(VDD/GND)や端子が同じところのMOSトランジスタはコンタクトを共有する、というテクニックを何か所かでつかっています。（たとえば図中の赤丸のところは、左右のトランジスタでVDDやN1を共有しています）

https://makelsi.github.io/images/docs/wgex_flip_flop/DFF.png

DFF.gex

続いて、シミュレーションしてみましょう。回路抽出して*.spファイルをつくって、電源や入力波形を与える電圧源を追加してみます。

https://makelsi.github.io/images/docs/wgex_flip_flop/DFFsim.png

testDFF.sp

で、シミュレーション。緑がクロックCK、青がD、赤が出力Qです。 CKの立ち上がりで、Dの値がQに反映される、というD-FFの動作をしていますね！

Tフリップフロップ(T-FF)の設計

Lチカのためには、リングオシレータだけだと周波数が高すぎるので分周しなきゃ、そのためにはT-FF！というわけで、T-FFもつくってみましょう。といっても、もうD-FFはできているので、簡単です。 D-FFのQBをDにつなげば、T-FFになります。というわけで、さきほどのD-FFのQBとDをML2でつないでみます。

https://makelsi.github.io/images/docs/wgex_flip_flop/TFF.png

TFF.gex

で、シミュレーション。入力はクロックCKだけです。ここでは20ns周期(50MHzですね)の方形波にしています。

https://makelsi.github.io/images/docs/wgex_flip_flop/TFFsim.png

testTFF.sp

たしかにCK(緑)の立ち上がりごとに、出力Q(青)が反転していて、T-FFの動作、つまりCKの半分の周波数の信号が得られています。これを何段もつなげれば、どんどん周波数を落として、Lチカにできそうですね！