基于忆阻器-CMOS晶体管的逻辑电路及其应用

针对传统组合逻辑电路存在的硬件资源利用率低和功耗高等问题,提出了一种基于忆阻器和CMOS晶体管的存算一体化组合逻辑电路设计方案.利用忆阻器存算一体、结构简单、与CMOS器件兼容等特性,减少了电路元器件数量.首先利用忆阻器的非易失性和阻变特性,设计忆阻与门、或门,结合CMOS晶体管实现与非门、或非门;然后,利用器件存算一体特性,提出了 4R2T结构的异或门及同或门电路;最后,基于忆阻逻辑完备集设计了乘法器电路和图像加密电路,并采用 LTspice验证电路功能正确性.结果表明,相比传统电路,所设计的乘法器电路元器件数量减少了 50%,具有低功耗特性;所设计的图像加密电路具有良好的加密和解密效果,提升了运算效率.     

基于忆阻器的乘法器电路设计

忆阻器作为一种非易失性的新型电路元件,在数字逻辑电路中具有良好的应用前景。目前,基于忆阻器的逻辑电路主要涉及全加器、乘法器以及异或(XOR)和同或(XNOR)门等研究,其中对于忆阻乘法器的研究仍比较少。该文采用两种不同方式来设计基于忆阻器的2位二进制乘法器电路。一种是利用改进的“异或”及“与”多功能逻辑模块,设计了一个2位二进制乘法器电路,另一种是结合新型的比例逻辑,即由一个忆阻器和一个NMOS管构成的单元门电路设计了一个2位二进制乘法器。对于所设计的两种乘法器进行了比较,并通过LTSPICS仿真进行验证。该文所设计的乘法器仅使用了2个N型金属-氧化物-半导体(NMOS)以及18个忆阻器(另一种为6个NMOS和28个忆阻器),相比于过去的忆阻乘法器,减少了大量晶体管的使用。     

忆阻数字逻辑电路设计

该文简要概述了忆阻器理论的提出、应用现状及其在电子技术领域发展的现状,介绍了忆阻器在数字逻辑电路设计中的重要意义,并结合惠普(HP)忆阻器的二值特性及其电路特性,对忆阻器在数字逻辑电路设计中的发展、趋势及可应用前景进行了综述,可为忆阻器在数字逻辑电路中的后续研究及相关应用提供一定的参考。     

基于忆阻器的组合逻辑电路设计

基于忆阻器的数字逻辑电路为探索先进的计算体系结构开辟了新的途径。在多种基于忆阻器的逻辑设计方法中,忆阻器比例逻辑(MRL)可以与传统CMOS工艺兼容制备出基本的门电路元件。简化了CMOS结构,仅单独使用NMOS管与忆阻器级联可以实现各种逻辑门单元。随后根据所提出的方案设计了编码器、解码器、全加器、乘法器等,并使用LTspice软件进行信号仿真,模拟结果与真值表完全一致。与传统的逻辑电路进行比较,该设计方案大量节省了元件数量,并且部分电路设计不需要为晶体管提供额外的独立电源,因此应用在更复杂的电路中可以大大节省芯片集成面积,为传统集成电路技术提供了一种有前途的替代方案。     

基于忆阻特性的点乘器的设计

忆阻器是四种基本的电子元器件(电阻器,电容器,电感器和忆阻器)的最新成员.基于其结构简单、 高集成和低功耗等特点,可以有多种用途.其中最有趣的方法之一是在电路中实现完整的逻辑运算.为了展示这种潜力,文中主要采用了基于忆阻特性的蕴含逻辑(IMP)来实现椭圆曲线中模乘等底层模块,并且进一步扩展到点乘器的电路应用.具体而言,...     

基于忆阻器的异或逻辑单元的两步操作实现

针对基于忆阻器构建的高效逻辑单元,利用忆阻器的特性,为异或逻辑提出了一种两步操作的实现方法。第一步,将异或逻辑操作使用的忆阻器数目减少为4个;第二步,改进电路结构,将操作步骤降低为两步。结果表明,采用该高效实现方法后,异或逻辑单元的逻辑计算延迟和逻辑资源占用量均得到改善。逻辑资源占用数目减少了33.3%,操作步骤数目降低了70.4%,极大地提高了忆阻器的计算效率。     

一种新型忆阻状态逻辑MIN-NOT

忆阻器作为第四种基本电路元件,在实现数字逻辑方面有着广阔的前景。输入和输出都是忆阻器阻值的忆阻状态逻辑被认为是实现存内运算的一种重要手段。提出了一种依靠少数和非(MIN-NOT)逻辑的新型忆阻状态逻辑,其所有逻辑操作可以在忆阻阵列中完成,并通过在忆阻阵列中使用晶体管开关,MIN-NOT逻辑可以高效地实现并行运算,使用列和行的非运算可以在两个循环中完成数据在忆阻阵列中的复制操作。还提出了一种在忆阻阵列中实现全加器运算的方法,使用7个忆阻器在5个步骤内完成全加运算,并通过LTspice进行仿真验证。对比数据显示,相比于使用忆阻状态逻辑搭建的全加器,本设计在面积和延迟上均有较大改善,验证了MIN-NOT逻辑的高效性。     

忆阻器实现逻辑门的方法研究

在分析忆阻器特性及相关文献的基础上提出了一种只使用忆阻器元件实现基本逻辑门的电路方案,理论分析及Spice仿真实验结果证实了方案的可行性．所设计的逻辑门电路简单,实现的逻辑门无需时序操作就能工作,其在电路尺寸、集成密度、电路功耗等方面拥有很大的优势．     

基于互补式忆阻器的多路复用器设计与实现

针对现有忆阻器逻辑设计方法所需忆阻器数量较大和操作步骤较多的问题,提出一种基于互补式忆阻器(complementary resistive switches,CRS)的灵活配置同行忆阻器的逻辑设计方法.通过对施加于CRS的高电压设置电压约束,更快速地实现布尔逻辑,并利用该方法实现了四种基本逻辑门,分别是与逻辑(AND)、或逻辑(OR)、非蕴含逻辑(not-material implication,NIMP)和异或逻辑(XOR)门.在此基础上,利用所设计逻辑中蕴含的与逻辑运算和或逻辑运算,设计了2-1和4-1多路复用器电路并提出其实现方法,其中2-1多路复用器可使用3个忆阻器通过2个步骤来实现,4-1多路复用器可使用6个忆阻器通过5个步骤来实现,并通过SPICE仿真来验证该方法的可行性.与忆阻器蕴含逻辑(material implication logic,IMPLY)和忆阻器辅助逻辑(memristor aided logic,MAGIC)设计方法相比,本文所提出的方法在保证输入数据不被破坏的前提下同时减少了忆阻器数量和操作步骤,优化了忆阻器实现的2-1多路复用器与4-1多路复用器性能.       

基于混合忆阻器-CMOS逻辑的全加器电路优化设计

将一种电压阈值型压控双极性忆阻器模型与CMOS反相器进行混合设计,实现了"与"、"或"、"与非"、"或非"基本逻辑门。通过构建"异或"逻辑门新结构,提出一种基于混合忆阻器-CMOS逻辑的全加器电路优化设计方案。最后,分析忆阻器参数β,V_t,R_(on)和R_(off)对电路运算速度和输出信号衰减幅度的影响,研究了该优化设计的电路功能和特性,经验证模拟仿真结果与理论分析结果具有较好的一致性。研究结果表明:全加器优化设计结构更简单,版图面积更小,所需忆阻器数量减少22.2%,CMOS反相器数量减少50%;增大参数β值可提高运算速度,增大忆阻值比率R_(off)/R_(on)可减小逻辑输出信号衰减度。