[发明专利]基于忆阻器的三值编码器电路

说明书

本发明公开了一种基于忆阻器的三值编码器电路。本发明包括一个正极性三值反相器，一个负极性三值反相器、一个三值非门和一个三输入的三值与门。该编码器电路的第一个输入端连接至正极性三值反相器的输入端，正极性三值反相器的输出端连接至三值与门的第一个输入端；该编码器电路的第二个输入端连接至三值非门的输入端，三值非门的输出端连接至三值与门的第二个输入端；该编码器电路的第三个输入端连接至负极性三值反相器的输入端，负极性三值反相器的输出端连接至三值与门的第三个输入端；三值与门的输出端作为编码器电路的输出端。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编码器电路设计与实现。

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在相同的位数下所能携带更多的信息量，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编码器电路。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

基于忆阻器的三值编码器电路包括一个正极性三值反相器 (PTI)，一个负极性三值反相器(NTI)、一个三值非门(TI)和一个三输入的三值与门(3input-TAND)。

三值非门TI电路由两个忆阻器和两个NMOS管构成。其中第五忆阻器M5的负极与电源V_CC相连接，第五忆阻器M5的正极与第五 NMOS管N5的漏极(D5)相连，并作为输出端。三值非门的输入端与第五NMOS管N5的栅极(G5)、第六NMOS管N6的栅极(G6)相连。第五NMOS管N5的源极(S5)与第六NMOS管的漏极(D6)、第六忆阻器M6的负极相连，第六忆阻器M6的正极、第六NMOS管N6的源极(S6)与接地端相连接。其中第五NMOS管N5的阈值导通电压为0.5V，第六NMOS管N6的阈值导通电压为1.5V。对于三值非门，其中0的非逻辑为2，1的非逻辑为1,2的非逻辑为0。

三输入三值与门由三个忆阻器构成，其中，与门的第一输入端接第七忆阻M7的负极、第二输入端接第八忆阻M8的负极，第三输入端接第九忆阻M9的负极。第七忆阻M7的正极、第八忆阻M8的正极、第九忆阻M9的正极相连接，其输出对应着三输入的三值与逻辑。对应三输入三值与门，输出为三输入的最小值。