基于R-SET結構邏輯門電器及解發器設計及應用分析

胡　杰（南京科遠自動化集團股份有限公司,南京　211102）

基于R-SET結構邏輯門電器及解發器設計及應用分析

胡杰
（南京科遠自動化集團股份有限公司,南京211102）

R-SET結構是一種基于單電子晶體管的新型電路結構，本文從該結構的反相器作為入手點，對這種結構的性能和工作原理等進行詳細的分析，并且探討基于R-SET結構的邏輯門電氣、解發器的設計要點，希望在以后的設計過程中能進行更好的優化。

R-SET結構；邏輯門電器；解發器

單電子晶體管（簡稱SET）目前已成為了微電子低功率研究領域的全新的課題，SET其具有的互補性特點與CMOS管的電路結構非常相似，所以學者們開始對其進行廣泛的研究。本文通過基于R-SET結構對SET電路進行設計，了解其工作原理和運行的性能情況，為以后的用電器設計以及解發器的設計提供更多的理論依據。

1　SET的I-V特性

在單電子晶體管中若SET結構中的源極和漏極其偏置適當，那么其電壓能夠通過柵極進行改變，同時能夠實現周期性的阻塞和隧穿。在I/V特性曲線圖中如果電荷狀態的背景不同，那么該結構的源極、漏極之間的電流則會體現出相移的特性。

2　R-SET結構和門電路設計

2.1R-SET結構

在R-SET結構中其上端的SET管其D、G兩級均處于高電平，其電流為恒定值，從而有效的將輸出電阻進行上拉操作。由圖可知上端的S極和下端的D極相連，從而形成了R-SET的結構。

圖1中我們分別將R-SET結構、R-SET結構的反相器、反相器的傳輸特性曲線再加上瞬態曲線等進行展示。圖中b所示，即R-SET的反相器結構，其中負載管是T1，T1能夠將柵極管和偏置電源進行相連，連通之后一直處于微導通的狀態，導通的電流為恒定值因而其主要的作用就是充當上拉電阻；工作管為T2，T2的柵極和輸出端相連，工作管的漏極和負載管的源極相連。上圖中c所體現的是該電路中的傳輸特性，如果輸入的電平較高，那么工作管將會保持隧穿狀態，此時工作管的電阻值在負載管內完全可以忽略，那么輸出端的電平則為低電平；相反如果輸入端的電平較低，此時的工作管處于阻塞或者停滯狀態，此時負載管導通，因而輸出端的電平較高，這就完全實現了反相器的功能。通過對瞬態仿真結果的分析，充分的體現了該結構邏輯功能的正確性，其傳輸平均延時較短，該結構反相其的噪聲容限較大。

2.2基于R-SET結構的邏輯門電路

若或非門電路的輸入端高電平為25mV，輸入端的低電平為0；該電路顯示出其具有電壓整形的特點。如果輸入的仿真波形為高電平，那么其輸出端的電平均為低電平；相反如果輸入端為低電平，那么輸出端則為高電平。和互補型的電路相比，其晶體管的數目明顯減少，電能的損耗和傳輸拖延時間均顯著降低，在實際的應用過程中能夠使用此結構完成各種組合邏輯電路。

3　R-SET結構觸發器的設計

3.1R-SET結構SR鎖存器

以R-SET結構為基礎設計的SR鎖存器電路是兩個或非門共同組成的穩態電路，我們將其仿真波形演示。

在仿真波演示中若使R=0且S=0時，兩個或非門沒有任何的影響，電路由于獲得了內部的反饋信號，從而能夠保持之前的狀態；如果S=0且R=1時，其中一個或非門輸出端的電平為低電平，如果信號傳輸到另一個或非門時其輸出端的電平為高電平；不管觸發器之前處于什么狀態，即如果是“0”狀態，且條件不變，那么=1，Q=0；若S=1且R=0,那么肯定會存在Q=1，=0,那么該種狀態非“0”狀態，同樣也非“1”狀態。但若S、R的輸入端和輸出端的電平均為低電平，那么觸發器的狀態依然無法進行判斷，而在正常工作時其輸入信號必須遵守二者乘積為“0”的條件，所以基于R-SET結構的鎖存器具備邏輯功能。

3.2R-SET結構的D觸發器設計

D觸發器是在鎖存器的設計基礎上增加一個阻塞電路D觸發器，D指的是該觸發器中的輸入信號。

在對D觸發器的仿真波形演示中時鐘信號采用clk進行表示，D是觸發信號。如果D值為1時，其時鐘信號一直上升直到上沿以前，其G4、G5的輸出信號一直保持為0；若時鐘信號一直上升超過上沿，此時G4、G5的輸出信號發生跳變，從之前維持的“0”跳轉成“1”。觸發器的輸出信號Q設置為0；其被設置為1，該電路圖便能夠將D觸發器的維持阻塞的功能精確的反映出來。

D觸發器在性能上和互補性SET結構相比R-SET結構的功耗更小、噪聲容限更大，延時更短電壓增益情況表現均存在優勢，因此其以后的市場將會更加的廣闊。

4　結束語

本文所介紹的R-SET結構在單電子晶體管的邏輯電路設計電路中應用十分廣泛，其設計的基礎為SET結構的反相理論。我們通過對其結構的性能和工作原理等進行分析，結果得出相比于互補性的SET邏輯電路設計，基于R-SET結構的電氣和解發器其在性能上和功能上都具有非常明顯的優勢，隨著人們的研究的不斷深入，相信在不久的未來R-SET結構將會徹底取代MOS器件。

[1]魏齊良.基于單電子晶體管結構電路設計和三值電路設計[J].浙江大學,2013(02).

[2]章專,魏齊良,申屠粟民.基于R-SET結構的邏輯門電路和觸發器設計 [J].浙江大學學報（理學版）,2013(3).