关于基于三值文字运算的碳纳米场效应晶体管SRAM的设计.doc
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1、关于基于三值文字运算的碳纳米场效应晶体管SRAM的设计0 引言随着CMOS技术进入纳米级工艺,金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)不断逼近其物理极限(如短沟道效应),芯片的集成度和功耗面临着极大的挑战1-2。多值逻辑作为高信息密度集成电路的主要理论基础,为解决这一问题提供了新的方案3。在传统的数字电路中最常用的是二值逻辑,而二值逻辑的信息携带量少,布线面积大,互连线带来的时延占总时延的60%以上4。相比于二值逻辑,三值逻辑电路可以减少门的个数和信号线的数量,因此使用三值逻辑电路可有效降低
2、芯片复杂度并提高性能5。三值存储器的存储信息量高,相同数量的SRAM单元,三值的存储信息量约为二值的1.585倍6,因此在设计相同容量的存储器时,所需存储单元和互连线数量更少。然而由于纳米级工艺下MOSFET的短沟道效应和其不易改变的阈值电压,导致传统的CMOS工艺设计结构简单、性能优越的存储器较为困难5。碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)因其独特的结构和优越的物理特性而被应用到各个领域当中,其中由碳纳米管构成的碳纳米场效应晶体管(Carbon Nanotube Field Effect Transistor,CNFET)应用到集成电路设计领域具有许多优良的特性,如近弹道传输和
3、极低的截止电流等7,因此有望取代MOSFET成为集成电路设计的主要器件。此外,CNFET的阈值电压可以通过调节CNT的尺寸来改变,非常适合用于设计多值逻辑电路。鉴此,本文首先利用多值逻辑理论和文字运算设计三值缓冲器;然后利用该三值缓冲器构建三值SRAM电路;最后对所提SRAM电路进行计算机仿真,并分析其性能。1 三值文字运算电路三值文字运算是三值代数中的基本运算,具有辨别0,1,2三种情况的功能,三值代数中的文字与或三种基本运算可以还原到二值代数中的非与或基本运算,从而达到理论上的统一8,故三值文字运算电路是三值逻辑的基本单元电路。三值文字运算的定义9如式(1)所示,其真值表如表1所示。 其中
4、,0x0为文字0运算,1x1为文字1运算,2x2为文字2运算。文字0和文字2运算电路是常见的文字运算电路,而文字1运算电路通常由三个文字运算之间存在互斥与互补的约束关系,通过文字0和文字2非运算电路得到。文字0和文字2非运算电路结构分别如图1所示,文字1运算电路的表达式如式(2)所示。由上式可知文字1电路需要两个文字0电路、一个文字2非电路和一个二值与门,因此电路结构复杂。运用开关信号理论8,并结合对表1的分析,可得结构更为简单的文字1电路开关级表达式:2 三值SRAM电路传统SRAM的存储由交叉耦合反相器实现,数据的写入读出由读写控制管控制。而本文使用三值缓冲器作为静态随机存储器的基本存储单
5、元可以避免直流通路的产生。2.1 三值缓冲器设计利用文字0、文字1和文字2非运算电路设计基于CNFET的三值缓冲器,其开关级表达式如式(4)所示。由式(4)结合文字运算电路可得三值缓冲器结构,如图3所示。工作过程如下:当x=0时,P1、P2、P4导通,N1、N2、N4断开,节点A、B均为高电平,N3、N6导通,P3、P5断开,节点C为低电平,N5断开,此时xre经N6与地相连,故xre=0;当x=1时,N1、P4、P2导通,P1、N2、N4断开,节点A为低电平、节点B为高电平,N3、N6、P5断开,P3导通,节点C为高电平,N5导通,此时xre经N5与VDD/2相连,故xre=1;当x=2时,
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