三值低功耗动态异或同或电路设计

三值低功耗动态异或同或电路设计

1基于动态电路的产品设计技术多值逻辑电路提高了非线性信息的能力，不仅提高了数字电路信息的密度，减少了vlasi芯片的面积，减少了vlasi内部连接线和系统间接线的数量，而且可以通过在定时周期内传输更多的信息来提高系统的工作速度。他受到了世界范围的关注。但多值逻辑电路目前大都采用二值元件来实现，其电路结构较之同类二值电路复杂，功耗大，所以探讨其低功耗设计更具重要性。由于动态电路具有较低的功耗，对其研究已引起越来越多的关注。在动态电路中，通过开关控制电路的开启与关闭，实现器件是否使用及使用的程度，进一步控制整个电路的动态能耗。同时动态电路在速度，芯片面积等方面也比静态电路具有更强的优势。多值逻辑电路也同样可以采用动态型电路实现低功耗设计。XOR/XNOR逻辑电路是数字电路设计中不可或缺的基本单元，在奇偶校验，数字控制电路等方面有着广泛应用。因此，研究三值XOR/XNOR电路的低功耗设计有助于推进多值逻辑电路的实用化进程。传统三值XOR/XNOR电路是基于多值格代数系统，采用门级设计技术，以门电路为最小构造单元，电路结构复杂，功耗较大。而采用开关级设计的多值CMOS电路则具有电路结构简单、芯片面积小、信号延迟小、功耗低、可靠性强等优点。鉴此，本文通过对多值开关—信号理论的进一步研究，提出一种具有预充电功能的三值低功耗动态XOR/XNOR电路的设计方案，并实现其在数字电路中的应用。2两类状态的相互作用的及其相关性质根据开关—信号理论，在电路中晶体管的开关状态与电流信号二者应分别使用开关变量与多值信号变量区分描写。由于在一个数字电路中元件的开关状态与信号之间不是各自孤立，而是互有联系、相互作用的，所以可通过描写信号控制元件开关状态的物理过程和描写元件的开关状态控制信号的传输与形成的物理过程等二类联结运算讨论它们的相互作用及其有关性质，如图1所示。二类联结运算分别是：联结运算Ⅰ：用于描写信号控制元件开关状态的物理过程；联结运算Ⅱ:描写元件开关状态控制信号传输与形成物理过程。由于对各种门电路的工作原理，电路中接收信号的元件的开关状态均是由输入信号（x）与检测阈值（t）进行比较后决定的，因此，联结运算Ⅰ可以定义如下二种运算：其中：x∈{0,1,…,m-1}，t∈{0.5,1.5,…,m-1.5}。显然，上述二种阈比较运算之间具有互非的关系：根据式（1）与（2）的定义，可证明阈比较运算在实际电路开关级设计中具有如下性质：除了上述性质外，还可证明阈t反相运算具有换阈公式：2.2电压型cd电路图1中的联结运算Ⅱ，由于它与具体数字电路族中开关元件控制信号的传输与形成的物理过程有关，因此应该在分析具体电路的工作原理的基础上予以确定。下面对电压型CMOS电路进行阐述。为了描写输出端几路信号的合并，尚可进一步引入如下并运算：式（10）中传输运算*优先于并运算#，并且当S1≠S2时不允许a1、a2同时为T，因为这意味着源S1、S2之间将出现短路大电流。根据式（9）及（10）的定义可证明传输运算与并运算有如下性质：通过上述讨论可知，在CMOS电路中的电压开关可用于控制对输出电压信号的接地短路或接源短路，且可直接控制对输出电压信号的传输。3采用三个值动态电路xor和xor的设计和应用取三值动态XOR/XNOR电路的逻辑值0、1、2对应于物理电压值地（0）、VDD/2和VDD。3.1值文字电路三值文字运算电路是实现三值XOR/XNOR电路的重要单元，其在三值组合电路、时序电路的设计中都有重要作用，已有相关论文对三值文字电路进行研究。本文将根据三值开关—信号理论，提出三值文字电路的开关级动态设计方案，真值表如表1所示。由表1及多值开关—信号理论，可得三值动态文字电路的开关级表达式为：为获得全摆幅输出，逻辑值“0”和“2”必须分别由nMOS管和pMOS管传输，由式（15）～（20），可得开关级三值动态文字电路如图2所示。3.2“异或”、“同或”与“2”三值动态XOR/XNOR电路的真值表如表2所示。传统三值XOR/XNOR电路采用门级设计技术，如图3所示，其中“3”表示门电路为三值门。结合表2，基于开关级设计技术的三值动态XOR/XNOR电路表达式为：由式（21）～（22），可得三值动态XOR/XNOR电路如图4(a)和4(b)所示，其中逻辑值“1”可由nMOS管或pMOS进行传输，且根据式（9），电路实现时考虑了避免“0”和“1”以及“1”和“2”传输冲突。以图4(a)所示“异或”电路为例分析其工作原理。同理可以分析图4(b)所示三值“同或”电路的工作原理。考虑到实际应用，通常电路的设计要求互补信号输出，即同时需要异或信号和同或信号，因此，进一步设计具有“异或”、“同或”双输出的“XOR/XNOR”电路,如图4(c)所示。根据以上设计，可得出如下电路设计的开关级实现过程：1）当控制信号x=0，且晶体管传输源值0或2，则采用变源传输：传输x或；当控制信号x=2，且晶体管传输源值0或2，采用变源传输：传输或x。变源传输简化了电路的设计。2）若低阈比较运算传输低电平（对应于逻辑值“0”）和高阈比较运算传输高电平（对应于逻辑值“2”），则由式（3）将控制信号x改为其补信号，从而实现由nMOS管传输0和由pMOS管传输2，避免了阈值损失。3）传输中间逻辑值1时，当控制信号x为0或2，可用pMOS管或nMOS管传输。而对于1*xt，当t=0.5，且x=1时，对应pMOS管一般不导通，但如果此时输出端值为2，则因pMOS管漏源对称使该管导通，将出现源值2与源值1“短路”，故应根据式（3）改由nMOS管传输。同理，对于1*tx，当t=0.5，且x=1时，对应nMOS管一般不导通，但若此时输出端为值0，则该管导通，导致1与0短路，此时应由pMOS管传输。3.33-xor电路的应用数字电路系统中，XOR/XNOR逻辑同其他逻辑关系相比具有优良的代数特性。其在简化逻辑函数和分析、设计逻辑电路中得到广泛应用。3.3.1反相控制信号时输出y与a数y的融合三值可控反相器又称可编程反相器，利用三值“异或”电路构成的可控反相器如图5(a)所示。它是在控制信号的作用下，使输出端Y取A的原码或反码，其中反相控制信号为二值信号。其工作原理为：当反相控制信号为0时，则输出Y与输入A一致。当反相控制信号为2时，输入A取反传给输出Y。利用三值可控反相器可以对寄存器的内容以原码形式或反码形式取出，这对解决算术中反码运算是很方便的，电路结构如图5(b)所示。其工作原理为：假设八位数码寄存器的内容A7A6A5A4A3A2A1A0为01201201，当反相控制端为0时，寄存器内容经“异或”门传输，输出Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0为01201201，结果保持不变；当反相控制端为2时，寄存器内容经“异或”门输出，Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0为21021021，结果取反。3.3.2值“同或”电路设计在二值逻辑系统中，为获得高可靠性，常会使用各种冗余技术，即用超常规设计所需资源换取超高可靠性。而最简单的逻辑值冗余方案就是采用三值逻辑电路构成二值逻辑系统。将三值逻辑电路中的二个逻辑极值（最大值、最小值）用于工作逻辑值，而多余的中间值用于电路的自校验、故障安全、失效保险等特性。如图6所示为三值“同或”校验器。当需要监视二值系统的信号线只有2路时，只需一个三值“同或”电路，从表2可知，当正常输入{00,02,20,22}时，输出{2,0,0,2}正常；当异常输入{01,10,11,12,21}时，输出必检测到异常值{1}。当需监视多路信号线时，可用如图6所示三值“同或”树进行检测。4不同clk时的动态所设计的电路通过PSPICE进行模拟，相关器件参数采用TSMC0.25µmCMOS工艺，取nMOS管的宽度W=0.36µm，长度L=0.24µm;pMOS管的宽度W=0.72µm，长度L=0.24µm。图7(a)给出了图2(c)所示的三值动态文字电路的瞬态特性曲线，逻辑值0、1、2所对应的电压值分别为0V、1.25V、2.5V，当clk=2时，输出2x2,1x1,0x0均预充电为VDD/2（即逻辑“1”）；当clk=0时，若输入x=0则输出2x2,1x1,0x0分别为0,0,2，若此时输入x=1则输出2x2,1x1,0x0分别为0,2,0，若输入x=2则输出2x2,1x1,0x0分别为2,0,0。图7(b)给出了图4(c)所示的双输出“XOR/XNOR”电路的瞬态特性曲线，当clk=2时，输出x⊕y和x⊙y均预充电为VDD/2；当clk=0时，若此时输入x=1或y=1则输出x⊕y和x⊙y均为1，若输入x=0、y=0或x=2、y=2则输出x⊕y和x⊙y分别为0和2，若输入x=0、y=2或x=2、y=0则输出x⊕y和x⊙y分别为2和0。证明所设计电路具有正确的逻辑功能。表3给出了采用门级设计技术和开关设计技术实现的三值动态XOR/XNOR电路性能比较结果，在相同工作状态下，由开关级设计的三值XOR/XNOR电路所用晶体管数少，结构简单，电路延迟小，工作速度快，低功耗特性明显。由于多值开关—信号代数系统能准确描写电路中元件与信号相互作用关系，因此应用开关级设计的电路比以门级设计的电路结构更简单，功耗更低。并通过实例证明了多值开关—信号理论在电路设计中的有效性和优越性。所设计的电路采用两相无交叠时钟，可