[发明专利]基于忆阻器的三值数字逻辑门电路

说明书

本发明涉及一种三值数字逻辑门电路。它包括一个三值与门电路，一个三值或门电路，一个三值非门电路。三值与门电路由两个忆阻器构成。其中第一忆阻器M1负极作为第一输入端，第二忆阻器M2负极作为第二输入端。第一忆阻器M1的正极与第二忆阻器M2的正极相连，并作为输出端。三值或门电路由两个忆阻器构成。其中第三忆阻器M3正极作为第一输入端，第四忆阻器M4正极作为第二输入端。第三忆阻器M3的负极与第二忆阻器M4的负极相连，并作为输出端。三值非门电路由两个忆阻器和三个NMOS管构成。本发明结构清晰简单、易于实现，可用于多值数字逻辑运算等诸多领域中的应用研究，具有重要意义。

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，涉及一种三值数字逻辑门电路，具体涉及一种物理可实现的基于忆阻器的三值数字逻辑门电路设计与实现。

背景技术

1971年，华裔科学家蔡少堂教授首次提出忆阻器的概念，2008年，惠普实验室研究团队成功做出纳米忆阻器件，证实了蔡少堂教授的推断，并且进一步研究发现，忆阻器的非易失型和纳米级尺寸有助于摩尔定律的延续，使得忆阻器能够同时计算和存储。忆阻器的独特特性使其在模拟电路设计、非易失性存储、神经网络、数字逻辑等中具有良好的应用前景，由于晶体管达到物理极限，忆阻器的开关行为的微小尺寸被推广为基于晶体管的存储器的替代器件。

传统的数字系统是基于二进制数构建的，其中只考虑逻辑0和1。最近，多值逻辑的概念成为一个共同的研究课题，1840年，英国的Thomas Fowler就以平衡三进制的设计，使用木材建造了一台早期的计算机。1958年，苏联莫斯科国立大学由Nikolay Brusentsov建造第一台数字电子三进制计算机Setun，它比二进制计算机在未来发展上更有优势。三元数的主要优点是它比二进制数表示相同的位数时提供了更多的信息，这降低了互连和芯片面积的复杂性。随着元器件制造工艺技术的进步，为三进制逻辑电路的实现提供了可能性。在20世纪80年代，基于使用增强和耗尽型晶体管的CMOS引入了第一个三值逻辑门的实现。三进制逻辑电路非但比二进制逻辑电路速度更快、可靠性更高，还减少了面积和互连的复杂性，且需要的设备功耗也更少。

忆阻器是实现三元系统的良好候选者，因为它可以处理两个以上的状态而无需使用额外的硬件，可以进一步将其分为不同的量化级别到多级元素。实用的忆阻器与标准CMOS技术兼容，这些忆阻器的尺寸在2-10nm范围内相对较小，使用忆阻器实现三元逻辑运算为增强和新颖的功能开辟了新的机会。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种新的基于忆阻器的三值数字逻辑门电路。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：包括一个三值与门电路，一个三值或门电路，一个三值非门电路。

三值与门电路由两个忆阻器构成。其中第一忆阻器M1负极作为第一输入端，第二忆阻器M2负极作为第二输入端。第一忆阻器M1的正极与第二忆阻器M2的正极相连，并作为输出端。

三值或门电路由两个忆阻器构成。其中第三忆阻器M3正极作为第一输入端，第四忆阻器M4正极作为第二输入端。第三忆阻器M3的负极与第四忆阻器M4的负极相连，并作为输出端。

三值非门电路由两个忆阻器和三个NMOS管构成。其中第五忆阻器M5的负极与电源Vcc相连接，第五忆阻器M5的正极与第一NMOS管N1的源极(S)相连，并作为输出端。第一NMOS管N1的栅极(G)与输入端相连，第一NMOS管N1的漏极(D)与第六忆阻器M6的负极相连，第六忆阻器M6的正极与第二NMOS管N2的源极(S)相连，第二NMOS管N2的栅极(G)与输入端相连，第二NMOS管N2的漏极(D)接地。第三NMOS管N3的源极(S)与第六忆阻器M6的负极和第一NMOS管N1的漏极(D)相连，第三NMOS管N3的栅极(G)与输入端相连，第三NMOS管N3的漏极(D)接地。