【《忆阻器组合逻辑电路设计案例》4600字】

忆阻器组合逻辑电路设计案例随着数字化发展，实践中遇到的逻辑问题层出不穷，单个的逻辑电路已经无法满足人们，因此组合电路的提出能够进一步拓宽数字系统。在不同的逻辑运算中，其发展除了如编码器、译码器、乘法器、比较器等。而在数字电路中，常规的忆阻器比例逻辑，由于与、或逻辑后一般需外接一个反相器，通常至少要2个忆阻器，2个CMOS晶体管才得以实现。若采用新型比例逻辑，即采用一个忆阻器与一个NMOS晶体管的组合，首先在器件的使用上能够节省元件使用数量即可减少随元件数量增多导致的分压或是功耗大的问题，大大增加了集成度。此外，新型比例逻辑的信号输出并非是通过分压来得到输出信号，而是借助了NMOS晶体管的开启电压，由于组合逻辑电路输入端使用方波作为输入信号，其电平非高则低，该电平具有二值性，能够轻松确定NMOS管处于饱和还是截止区，类似实现MOS管的基本开关电路，用于选择是否输出忆阻器正端的信号。因此，新型的比例逻辑可以实现信号的精确输出，无需担心因为分压导致的信号衰退现象。同时由于减少了CMOS管的使用，整个电路的功耗以及运行速度都有很大的改善。1.1基于忆阻器的编码器在数字系统中，为了将事物转化为计算机能够明白的计算机语言，常常将每个事物使用一个二值代码进行表示。通过对每一个事物进行二值编码的形式，可以使得计算机在判断时准确且高速。在二值逻辑电路中，信号都是以高、低电平形式给出。编码器可以利用该特点，将输入的高、低电平信号当作1或0编成对应的二进制代码。图1.1编码器真值表在将约束项化简后，可以列出编码器的逻辑表达式： Y2=根据该输入输出关系，观察可知其需使用三个四输入或门，若使用忆阻器新型比例逻辑则需要使用三个四输入或非门，加一个非门，具体电路图如图1.2所示。图1.2基于忆阻器新型比例逻辑的编码器电路图编码器电路图X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7为其输入信号，Y0、Y1、Y2为其输出信号。其中可分为三部分，每一部分组成类似，均有两个忆阻器以及五个NMOS晶体管组成。其中紫色方框部分的M1和T1、T2、T3、T4共同构成四输入或非门，输出信号为X1+X3+X5+X7，蓝色方框为M2和T13构成的非门，将信号取反输出Y0=X1+X3+X5+X7=X1+X3+X5+X7。同理，Y1和Y2在LTSPICE中搭建对应电路进行分析其逻辑特性是否满足，其中设定八个输入信号的频率均为占空比为50%，使用两组不同的频率分析。设定其以5V作为高电压（逻辑“1”）以0V作为低电平（逻辑“0”）图1.3基于忆阻器新型比例逻辑的编码器仿真图图1.3为三位二进制编码器仿真结果。分析可得，该编码器逻辑电路输入输出信号之间的逻辑关系满足其逻辑表达式，符合其真值表。故可以使用该电路模拟编码器的使用。在复杂的组合逻辑电路中得到更轻便简洁的编码器电路。1.2基于忆阻器的译码器在逻辑电路中，与编码器对应的便是译码器。译码器的逻辑功能为将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号或另外一个代码。译码与编码互为反操作。常见的有二进制译码器、二−十进制译码器，显示译码器等。图1.43位二进制译码器真值表根据真值表可以写出3位二进制译码器逻辑表达式： Y0=根据该输入输出关系，观察其均有三个变量以逻辑“与”的关系构成，在电路设计上可以使用论文中提到A∙B+C图1.5基于忆阻器新型比例逻辑的译码器电路图该电路图使用了11个忆阻器以及19个NMOS晶体管。其中X0、X1、X2作为输入信号，Y0~Y7为输出信号。其中可以将电路图分成两部分，浅蓝色方框中的M1和T1,M2和T2,M3和T3分别构成反相器实现输入信号取反的操作。其余部分可视为八个A∙B+C逻辑，其中红色方框内实现Y0=X在LTSPICE中搭建对应电路进行分析其逻辑特性是否满足，其中设定三个输入信号的频率均为占空比为50%。设定其以5V作为高电压（逻辑“1”）以0V作为低电平（逻辑“0”）图1.6基于忆阻器新型比例逻辑的编码器仿真图图1.6为三位二进制译码器仿真结果。分析可得，该译码器逻辑电路输入输出信号之间的逻辑关系满足其逻辑表达式，符合其真值表。故可以使用该电路模拟编码器的使用。对比传统的利用CMOS晶体管，该电路功耗更小延迟更小。同时与编码器比较可发现该模型输出信号幅值与输入信号幅值相差不大，适合多数情况稳压使用。1.3基于忆阻器的选择器1.3.1二选一数据选择器在数字信号传输过程中，有时需要特定从一组数据中选出某个数据，这时候用到的逻辑电路就是数据选择器又称多路开关。其中常用的有二选一选择器、四选一选择器、双四选一选择器等等。图1.7二选一数据选择器真值表根据真值表可以写出二选一数据选择器逻辑表达式： Y=SEL根据该输入输出关系，观察其同时有与和或的逻辑，在电路设计上搭配两种新型忆阻器比例逻辑，实现的电路图如1.8所示。图1.8基于忆阻器新型比例逻辑的二选一数据选择器电路图该电路图使用了5个忆阻器以及6个NMOS晶体管。其中A、B、SEL作为输入信号，Y为输出信号。其中可以将电路图分成四部分，其中浅蓝色方框中的M1和T1以及M5和T6构成非门，分别用于得到SEL与最终的输出Y。红色方框M2和T2构成A与SEL的逻辑即A∙SEL，M3和T3同理。后紫色方框内M4、T4、T5构成二输入或非门。该二选一数据选择器电路较简易，相比一般需使用近十五个CMOS晶体管的传统电路，其能节省大量器材并能达到较高的集成度。在LTSPICE中搭建对应电路进行分析其逻辑特性是否满足，其中设定三个输入信号的频率均为占空比为50%。设定其以5V作为高电压（逻辑“1”）以0V作为低电平（逻辑“0”）图1.9基于忆阻器新型比例逻辑的二选一选择器仿真图图1.9为二选一数据选择器仿真结果。分析可得，该选择器逻辑电路输入输出信号之间的逻辑关系满足其逻辑表达式，符合其真值表。故可以使用该电路模拟选择器的使用。此外在设计中各方面功能分开设计，在实际使用中可以快速判断出错的位置。1.3.2四选一数据选择器四选一数据选择器则是从四个输入数据中选出一个送到输出端，相比二选一数据选择器，其功能更复杂也更适应于多数情况。研究方法同理先列出其真值表如图1.10图1.10四选一选择器真值表根据真值表可以写出四选一数据选择器逻辑表达式： Y=SEL根据该输入输出关系，观察其均有三个变量以逻辑“与”的关系构成，在电路设计上可以使用论文中提到A∙B+C图1.11基于忆阻器新型比例逻辑的四选一选择器电路图该电路图使用了8个忆阻器以及14个NMOS晶体管。其中A、B、C、D、SEL1、SEL2作为输入信号，Y为输出信号。具体电路可以分成四个部分，分别是浅蓝色方框中由M1、T1和M2、T2构成的非门，获得SEL1与SEL2的反逻辑，后红色部分为四个结构类似的A∙B+C逻辑，通过这个逻辑电路能够输出=A∙SEL1，其余部分同理可得到输出F0~F4，再将这四部分通过或非门及一个非门即可得到对应输出逻辑Y该四选一数据选择器电路分模块设计，功能明确。传统CMOS工艺至少需39个晶体管。运行速度大大提升，同时由于CMOS管的数量减少，功耗也大大降低。为验证该电路，在LTSPICE中搭建相关电路并设定频率不同占空比为50%的方波作为输入信号，经仿真分析可得结果如图1.11所示图1.11基于忆阻器新型比例逻辑的四选一选择器仿真分析图图1.11四选一数据选择器仿真结果。分析可得，该选择器逻辑电路输入输出信号之间的逻辑关系满足其逻辑表达式，符合其真值表。故可以使用该电路模拟选择器的使用。此外在设计中各方面功能分层设计，在实际使用中可以快速判断出错的位置。1.4基于忆阻器的红绿灯编码器除了这些非常常见的组合逻辑电路，生活中常常需要联系具体实际现象，写出满足实际需求的逻辑功能电路。比方说用于监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。倘若每一组交通信号灯由红、黄、绿三种颜色的灯构成，在正常工作中，每一刻都有且只有一盏灯是明亮工作的，当出现其他五种情况如都不亮或是两到三盏灯同时亮时即电路出现逻辑性故障，此时需要立刻发出信号找人维修以免遇到不可控的事件。为了解决此类问题，我们可以先采用传统逻辑电路的方法即先进行逻辑抽象。取红黄绿三盏灯的工作状态作为输入变量，分别使用R、Y、G表示，并将其二值化，规定灯亮状态为1，不亮状态为0。取故障信号为输出变量，使用Z表示，并规定正常工作时Z为0，出现异常时Z为1。根据输入输出的关系可以列出真值表为图1.12红绿灯检测器真值表根据真值表可以写出其逻辑函数式，并进行化简： Z=R得到逻辑函数式后可以发现其是一个综合型电路，同时具有三个变量与逻辑、两个变量与逻辑、四个变量或逻辑。分析结束后通过前文所述的忆阻器新型比例逻辑可以搭建其电路。图1.13忆阻器辅助逻辑红绿灯检测器电路图该电路图使用了8个忆阻器以及12个NMOS晶体管。其中R、Y、G作为输入信号，Z为输出信号。具体电路可以分成三个部分，分别是浅蓝色方框中由M1、T1和M2、T2构成的非门，获得R与Y的反逻辑，旁边的橙色部分为类似的A∙B+C逻辑，通过这个逻辑电路能够输出F0=R∙Y+G该红绿灯故障检测电路分模块设计，功能明确。相比一般需使用近35个CMOS晶体管的传统电路，其能节省大量器材并能达到较高的集成度。同时其功耗降低速度变快的同时能够使得在现实中以更快的速度避免因故障导致的交通意外。为验证该电路，在LTSPICE中搭建相关电路并设定频率不同占空比为50%的方波作为输入信号，经仿真分析可得结果如图1.14所示图1.14忆阻器辅助逻辑红绿灯检测器模拟仿真分析图图1.14为忆阻器辅助逻辑红绿灯检测器仿真结果。分析可得，该检测逻辑电路中输入输出信号之间的逻辑关系满足其逻辑表达式，与真值表相符。实际输出的电压比输入电压升高一倍，可以通过调节忆阻器模型调节其输出后的电压大小。在实际应用中能够将芯片体积缩小，功耗减少，节省大量材料能源。1.5小结本章主要介绍了忆阻器代替传统的CMOS晶体管在组合逻辑电路中的体现。即将第三章的理论逻辑放入具体的应用电路中