随着数字集成电路的快速发展,传统CMOS工艺尺寸不断减小,电路的集成度越来越高,同时也出现了一些由功耗和互连线等带来的问题,如热耗散、短沟道效应、量子力学效应等[1-3].共振隧穿二极管(resonant tunneling devices,RTD)作为一种新的量子器件和纳米电子器件,可以突破传统CMOS设计工艺所面临的物理限制,且比CMOS器件拥有更优秀的特性.RTD具有负内阻、电路功耗低、工作频率高、双稳态和自锁等特点[4-5].
(1) 负内阻(negative differential resistance,NDR).RTD器件在随着电压从低电平到高电平变化的过程中,其电流从零开始增大;到达第1个波峰后,电流开始减小;到达第1个波谷后,电流继续增大.电流从波峰到波谷的这一段曲线表现为RTD的负内组特性,如图 1所示.Vp为波峰电压,Ip为波峰电流,Vv为波谷电压,Iv为波谷电流.
(2) 电路功耗低.RTD器件的负内阻特性,使得由其设计的电路在结构上更加简单,且RTD器件电路的工作电压低,一般在0.8 V左右,稳定时的工作电流也相对较低,一般为μA数量级.
(3) 工作频率高.由于RTD器件具有共振隧穿效应,这是一种高速变化的物理过程,所以一般RTD的工作频率都很高,且工作速度快.
(4) 双稳态和自锁.RTD器件的负内阻特性,使得由其组成的单双稳态转换逻辑单元(Mo nostable bistable transition logic element, MOBILE)具有双稳态和自锁特性,这相当于自身带了一个锁存器,非常有利于时序电路设计中器件数目的减少.
本文将RTD组成的MOBILE及三端器件作为输入分支,以设计D触发器.
1 单双稳态转换逻辑单元MOBILE是基于RTD电路设计的一个重要逻辑单元,可由2个或更多个RTD串联而成.由2个或是更多个RTD串联的MOBILE,均具有类似的工作原理.以2个RTD串联的MOBILE为例,电路如图 2(a)所示[6-9].在图 2(a)中,上面的RTD为负载管,下面的RTD为驱动管,时钟信号Vclk为偏置电压.当Vclk较低时,负载管和驱动管工作在第1个正阻区,此时电流电压特性曲线如图 2(b)所示,电路稳定于S0点,处于单稳态;y输出为低电平.当Vclk继续增大,超过2倍的RTD波峰电压时,电路将出现2个稳定状态S1、S2,如图 2(c)所示;具体处于哪个稳定状态由负载管和驱动管中波峰电流较小的决定.当负载管的波峰电流较小时,负载管先进入负阻区,呈现较大的阻抗,电路处于S1稳定状态,y输出低电平;反之,当驱动管的波峰电流较小时,电路处于S2稳定状态,y输出高电平;即MOBILE具有双稳态特性.由于当RTD的电流密度一定时,其波峰电流和波谷电流与面积成正比,可通过改变RTD的面积来获得需要的输出.当Vclk保持高电平时,y输出将保持不变;即MOBILE具有自锁特性.
由于RTD是一个二端器件,为了能有效控制MOBILE的输出,通常需要加入高速的三端器件作为输入分支[10-12].在时序电路设计中,常用高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor, HEMT)[13].通过HEMT与负载管或驱动管直接并联,以控制相应管子并联区域的波峰电流大小.图 3所示的是一个反相器,其中x为HEMT的栅极输入端.在图 3中,HEMT控制驱动管并联区域的波峰电流大小;且当x输入低电平时,驱动管并联区域的波峰电流比负载管小,电路y输出高电平;当x输入高电平时,驱动管并联区域的波峰电流比负载管大,电路y输出低电平.
MOBILE的双稳态和自锁特性,在设计时序电路时,能使电路结构变得简单.当偏置电压Vclk上升时,电路输出有效电平,且Vclk保持高电平时,电路输出保持不变.但是当Vclk为低电平时,电路输出也变为低电平.为了使Vclk在低电平时,电路输出保持不变,就需要通过另外的锁存器电路进行弥补.图 4(a)为文献[14]中提出的一种D触发器.
该D触发器电路由电路G1、G2、G3三部分组成,输入端D、DB(D的反相信号),输出端Q,时钟信号Vclk,高电平信号Vdd.电路G1、G2都是反相器,电路G3是SR锁存器,SR锁存器原理如图 4(b)所示.图中实线表示S、R输入低电平时,负载管并联区域和驱动管并联区域的电流电压特性曲线;虚线表示S、R输入高电平时,负载管并联区域和驱动管并联区域的电流电压特性曲线.由于电路G1、G2只能组合输出3种状态10、01、00,故整个电路实现了D触发器功能.
上述D触发器中有2个缺陷:(1) S、R信号是通过2个反相器得到的,且DB信号需要通过额外的电路提供,这些都会增加D触发器电路的复杂度;(2) D和DB信号的不匹配或2个反相器输出延时差异都会导致输出错误的S、R信号.本文提出的D触发器如图 5所示,能有效解决上述2个缺陷,且具有良好的功耗、D-Q的上升延时和下降延时.
图 5中,整个电路只由G1、G2两部分电路组成.电路G1由3个RTD串联而成的MOBILE及1个HEMT组成.当时钟电压Vclk从低电平变化到高电平,且D输入低电平时,RTD1、RTD2和RTD3并联区域的波峰电流满足:IPRTD1>IPRTD2>IPRTD3-Parallel.此时,RTD3并联区域从第1正阻区进入负阻区,呈现高阻状态,RTD1和RTD2仍然工作在第1正阻区,呈现低阻状态,y1、y2输出高电平.当时钟电压Vclk从低电平变化到高电平,D输入高电平时,由于HEMT1控制RTD3并联区域的波峰电流,此时RTD1、RTD2、RTD3的波峰电流满足:IPRTD1>IPRTD3-Parallel>IPRTD2,RTD2从第1正阻区进入到负阻区,呈现高阻状态,RTD1和RTD3仍然工作在第1正阻区,呈现低阻状态,y1输出高电平、y2输出低电平,如表 1所示.
电路G2是一个类SR锁存器,HEMT2控制RTD4并联区域的波峰电流,HEMT3控制RTD5并联区域的波峰电流,工作原理如图 6所示.
当S、R都输入低电平时,RTD4并联区域和RTD5并联区域的波峰电流满足:IPRTD4-Parallel=IPRTD5-Parallel,电路工作在双稳态,即图 6上的S1、S2点.当S输入高电平、R输入低电平时,RTD4并联区域的波谷电流和RTD5并联区域的波峰电流满足:IVRTD4-Parallel>IPRTD5-Parallel,电路工作在S′2点,即输出高电平;若此时S变化到低电平,电路工作在S2点,仍然输出高电平.当S和R都输入高电平,RTD5并联区域的波谷电流和RTD4并联区域的波峰电流满足:IVRTD5-Parallel>IPRTD4-Parallel,电路工作在S′1点,即输出低电平;若此时S、R同时变化到低电平,电路工作在S1点,仍然输出低电平.当S输入低电平,R输入高电平,RTD5并联区域的波谷电流和RTD4并联区域的波峰电流满足:IVRTD5-Parallel>IPRTD4-Parallel, 电路工作在S3点,即输出低电平,S、R与Q的关系如表 2所示.电路的逻辑功能如表 3所示.
对所设计的D触发器进行HSPICE仿真,RTD采用文献[15]中介绍的模型,其中RTD波峰电压为0.28 V,RTD波峰电流密度为9 kA·cm-2,每μm2的电容为4fF,HEMT采用增强型和耗尽型晶体管,阈值电压分别为0.4 V和-0.1 V.仿真结果如图 7所示.其中,工作电压Vdd和时钟电压Vclk幅值均为0.8 V,Vclk频率为1 GHz,输入D,输出Q.从仿真波形中可以看出,所设计的D触发器逻辑功能正确,且为时钟上升沿触发.
由于文献[14]中的D和DB信号,在实际电路中经过各自相连的反相器到达S、R端,可能存在输出延时差异.为了更好地比较所设计的D触发器和文献[14]中D触发器的输出稳健性,假设DB相对于D延迟0.02 ns输入,图 8为两者的仿真波形.其中,Q1为文献[14]中的D触发器输出,Q2为本文D触发器输出.从图 8中可以看出,D在1.05 ns发生电平翻转,而DB在1.07 ns发生电平翻转,导致当时钟Vclk在1 ns跳变到高电平时,Q1未能跟随D信号电平输出高电平.而本文设计的D触发器则不会出现这种错误,当时钟Vclk在1 ns跳变时,Q2能跟随D信号电平输出正确的高电平.
表 4为上述2种类型D触发器的性能比较.触发器延时值均在Q输出端接100 fF电容下测得,并取D-Q上升延时和下降延时的最大值;电路功耗均在输入数据率α=20%时测得.由表 4可知,所设计的D触发器与文献[14]的D触发器两者在D-Q延时和电路功耗上相差不大,但本文设计的D触发器在RTD和HEMT器件数量上各减少了1个.
通过上述2种D触发器的仿真及分析可以看出,所设计的D触发器与文献[14]的D触发器在电路功耗和触发器D-Q延时上相差不大,但本文的D触发器设计所用的RTD和HEMT数都少了1个,且不用额外的电路提供DB信号,能更好地降低电路的额外开销;也不会因为S、R信号的延时差异出现错误输出,其输出更稳健.
4 总结RTD器件作为一种新型量子器件和纳米电子器件,具有的各项优秀特性使其在时序电路设计上具有比CMOS电路更加明显的优势.当RTD器件组成MOBILE时,其各项特性均能得到很好的表现.因此,时序电路的设计亦围绕MOBILE展开.文中所设计的D触发器采用3个串联RTD的MOBILE来提供S、R信号,并设计了类SR锁存器,使得在时钟电压为低电平时输出电压保持不变.相较于以往的设计,该D触发器具有更稳健的输出,且电路结构和设计方法更简单.
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