Biestable D

El Biestable D es uno de los elementos primitivos de la electrónica digital, y el que da lugar a la creación de los circuitos secuenciales. Este biestable se presenta en el circuito ax-sysdff del proyecto Icestudio-Digital

A pesar de ser un elemento primitivo a nivel de electrónica digital, hay muchos conceptos e ideas involucrados en su creación. En esta sección veremos cómo se crea desde 0, a partir de materiales semiconductores

Nivel de electrónica digital

El Biestable D es el elemento que almacena un bit durante un ciclo. Transcurrido este ciclo se almacena el siguiente valor que llegue

Aunque es el elemento mínimo de memoria a nivel de electrónica digital, se necesitamos muchos elementos de los niveles inferiores para su implementación. Vamos verlos poco a poco

Oscilador: Almacenamiento de un bit

La manera de almacenar un bit en silicio es mediante 2 inversores conectados en anillos, es decir, formando un oscilador. Esta es la pinta que tiene:

Este circuito puede estar en dos estados estables diferentes. Imaginemos que en el punto A tenemos el bit 0. Entonces en el punto B tendremos 1, que se convierte de nuevo en 0 y se realimenta de nuevo al primer inversor. A la salida se tiene el valor 0 estable

Pero también es estable lo contrario: Si en A tenemos 1, en B tenemos 0 y por la salida sale un 1 estable. Es decir, que es un circuito que puede tener 2 valores estables diferentes: 0 ó 1

¿Cómo introducimos un valor inicial en este anillo?. Conceptualmente lo vemos introduciendo un interruptor de 2 posiciones. Cuando se pone en la posición 1 se introduce el valor externo D, que sale por la salida.

Si ahora cambiamos a la posición 2, se conecta la realimentación y este bit queda “atrapado” en el anillo, dando vueltas. Cualquier nuevo valor que haya por la entrada NO se mete en el anillo, hasta que se vuelva a cambiar el interruptor

Con la tecnología CMOS la manera de implementar un switch que permita conectar un cable con alguno de otros dos es mediante 2 pulsadores complementarios. El esquema anterior queda así:

Los pulsadores complementarios funcionan a la vez, y siempre en estados contrarios: mientras uno conecta, el otro está abierto, y vice versa. Estos pulsadores se implementan muy fácilmente con tecnología CMOS, como veremos en el siguiente apartado

En la implementación real las señales se ingresan entre los dos inversores, por lo que hay que añadir un tercer inversor en la señal de la entrada. Esta configuración permite que la señal de entrada pase por un buffer, y también permite una mejor conexión en cascada entre varios osciladores

Puerta de transmisión (TG)

La puerta de transmisión es un elemento que funciona como un pulsador, conectando eléctricamente dos cables independientes. Ya habíamos visto cómo un MOSFET funciona también como un pulsador, que sólo permite circular la corriente en una dirección. La puerta de transmisión permite hacerlo en ambas direcciones, por eso funciona exactamente igual que un pulsador

Este componente tiene 3 entradas: Los dos cables A y B que se conectan, y la señal ENA que permite activar/desactivar la conexión

Cuando ENA=0 el interruptor está en abierto, es decir, en alta impedancia. Cuando ENA=1 el pulsador está apretado, y la corriente puede circular en ambos sentidos (dependiendo de la tensión aplicada)

La implementación de esta puerta se realiza colocando dos MOSFETS, uno P y otro N, en paralelo, pero conectando las fuentes con los drenadores

Este es el símbolo utilizado para representar a la puerta de transmisión. Tiene 4 entradas. De ellas 3 son independientes: A, B y ENA. Pero hay una cuarta, que es $\overline{\text{ENA}}$. Es la complementaria a ENA. Es decir, que hay que añadir un inversor de manera externa para generar la señal complementaria. Esta puerta NOT NO se incluye dentro de la puerta de transmisión para ahorrar recursos y que varias de estas puertas compartan la misma NOT

Latch

El latch es un componente que recuerda un bit. Tiene dos entradas: una de datos (D) y otra de habilitación (ENA). Cuando ENA es 0, el latch está cerrado, y la entrada no afecta a la salida. Sale el valor almacenado. Cuando ENA es 1, el latch está en modo transparente y todo lo que entra por D sale por Q. Cuando se deshabilita, queda almacenado el último valor que había por su salida

El latch se implementa a partir del oscilador que hemos visto en el apartado anterior, utilizando la señal ENA para controlar los dos pulsadores complementarios. Este es el esquema lógico:

Los pulsadores complementarios se implementan mediante dos puertas de transmisión complementarias. Este es el esquema final del latch:

Y estos son los dos circuitos equivalentes con los diferentes valores de la señal ENA

Esta implementación nos sirve para contar el número total de transistores que necesitamos. Cada inversor usa 2 mosfet. Cada puerta de transmisión otros dos. En total hay 2 puertas de transmisión (4 transistores) y 4 inversores (8 transistores). En total se necesitan 12 MOSFETS

El latch lo representamos como un bloque con las entradas correspondientes

Esta es su tabla de verdad, donde D es la entrada, Q su estado actual (Salida) y las variables booleanas d y q que indican respectivamente el valor de la entrada y del estado actual (que puede ser 0 ó 1). El valor x significa NO IMPORTA. Da igual qué valor tenga

El Latch lo podemos representar como una Barrera que deja pasar o no los bits. La señal ENA significa Barrera quitada. Cuando ena=0, la barrera NO está quitada, es decir, que estamos en modo almacenamiento. Cuanod ena=1, la barrera está quitada, y estamos en modo transparente

Implementación del biestable D

El biestable D captura el dato de entrada en flanco de subida. Este comportamiento se logra conectando en cascada dos Latches, denominados maestro y esclavo

Mediante este mecanismos, el biestable D sólo captura un valor en un instante muy estrecho. Y esta es la clave de los sistemas síncronos

Para la implementación de un biestable D se necesitan un total de 26 MOSFETS. 12 por cada Latch (24), y 2 más por el inversor (26). De todos ellos, la mitad son MOSFET-N y la otra mitad MOSFET-P

Vamos a estudiar este mecanismo más en detalle. Este es el cronograma que vamos a estudiar. Tenemos un Biestable D que inicialmente tiene almacenado el valor 0 (Q=0), es decir, que su estado es 0

La señal de reloj CLK se devide en 3 zonas. En la primera (1) el reloj está a 0 (clk=0). Durante todo ese tiempo el estado del biestable es 0 (Q=0) y por su entrada llega 1

En la segunda zona (2) el reloj pasa a 1 (clk=1). Se produce un flanco de subida del reloj. En ese instante la entrada 1 se captura en el biestable y pasa a ser su estado final (Q=1)

En la tercera zona (3) el reloj pasa a 0, volviendo al estado inicial y completando un ciclo. La entrada no cambia y el estado tampoco

Ahora que tenemos este cronograma, vamos a estudiar qué pasa en el interior del biestable D. El comportamiento de los dos latches, el maestro y el esclavo se resumen en esta figura

En la zona 1, cuando el reloj está a 0, el latch maestro está en modo transparente, pero el esclavo está reteniendo el estado, que es 0. Cuando llega un flanco de subida del reloj y clk pasa a valer 1, ambos latches cambian su rol a la vez. El maestro que queda en modo almacenamiento, capturando el 1 que llega por la entrada. El esclavo pasa a transparente, por lo que por la salida sale el valor recién capturado

Cuando llega el flanco de bajada, en la zona 3, los latches vuelven a cambiar sus roles, pero la salida no cambia, sigue con el valor anterior 1. El maestro pasa a transparente, por lo que la nueva entrada lo atraviesa, PERO el esclavo se queda en modo de almacenamiento, guardando el valor anteriormente captura en el flanco de subida. El resultado es que no hay cambio de estado. Claro, es un biestable que SOLO captura en el flanco de subida

Con esto completamos el estudio del biestable D, y cómo un elemento que lo consideramos básico a nivel de electrónica digital, un axioma, está compuesto de muchos más elementos en los niveles interiores. En total necesitamos 26 MOSFETS para su implementación. Pero a nivel de electrónica digital hacemos abstracción de todo eso