基于QCA的數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)研究.pdf

1、在過去的半個(gè)多世紀(jì)里，集成電路技術(shù)遵循著Moore定律取得了驚人的進(jìn)展，而縮小器件特征尺寸是提高芯片集成度和性能的主要途徑。但隨著特征尺寸的不斷縮小，以CMOS技術(shù)為主導(dǎo)的集成電路發(fā)展遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，特別是低功耗設(shè)計(jì)及互連線問題。當(dāng)器件的特征尺寸進(jìn)入納米級，量子效應(yīng)將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位并可能使器件失效，從而使特征尺寸的縮小達(dá)到其物理極限。有鑒于此，近年來一方面科研人員從理論上、材料上和工藝上加以修正，以延續(xù)Moore定律引領(lǐng)的CMO

2、S技術(shù)的生命；另一方面提出了各種可能的替代MOS器件的新型納米電子器件，以發(fā)展新一代集成電路技術(shù)。其中的量子細(xì)胞自動(dòng)機(jī)(Quantum-DotCellular Automata，QCA)，因其提供了一種全新的信息存儲和計(jì)算方式，由其組成的數(shù)字邏輯電路與CMOS相比具有功耗更低、集成度更高和速度更快等固有特點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代的納電子器件強(qiáng)有力的競爭者。
　　 在介紹QCA原理及QCA數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)和仿真方法的基礎(chǔ)上，本文聚焦于Q

3、CA通用邏輯門、通用閾值邏輯門、雙邊沿觸發(fā)器以及三值QCA邏輯電路的設(shè)計(jì)和仿真。具體工作和創(chuàng)新之處如下：
　　 1、QCA通用邏輯門和通用閾值邏輯門的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。提出了基于模塊化技術(shù)的QCA通用邏輯門ULG2，并應(yīng)用該ULG2設(shè)計(jì)了全加/全減器、全比較器和4選1數(shù)據(jù)選擇器。與已有的QCA通用邏輯門及其應(yīng)用電路相比，在細(xì)胞數(shù)、QCA信號線交叉數(shù)等方面電路的性能均有較大的改善。隨后提出了QCA通用邏輯門ULG3和三變量通用閾值邏輯門

4、UTLG，并分別提出了基于QCA通用邏輯門ULG3和三變量通用閾值邏輯門UTLG的任意三變量邏輯函數(shù)的查表綜合。利用所提出的ULG3和UTLG可實(shí)現(xiàn)3變量全部256個(gè)邏輯函數(shù)。所設(shè)計(jì)的電路經(jīng)QCADesigner軟件仿真，驗(yàn)證了其邏輯功能的正確性。
　　 2、QCA雙邊沿觸發(fā)器的設(shè)計(jì)。觸發(fā)器是數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，但相對QCA門電路及組合邏輯電路的研究而言，QCA觸發(fā)器及時(shí)序邏輯電路的研究還很不充分，尤其是高性能的觸發(fā)器及其應(yīng)用電

5、路。本文提出了兩種基于QCA的新型高性能觸發(fā)器--雙邊沿D觸發(fā)器和雙邊沿JK觸發(fā)器。通過OCADesigner仿真，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的兩種雙邊沿觸發(fā)器均具有正確的邏輯功能。若保持原有的時(shí)鐘頻率不變，所提出的雙邊沿觸發(fā)器比相應(yīng)的QCA單邊沿觸發(fā)器處理數(shù)據(jù)的速度將提高一倍，從而為設(shè)計(jì)高性能數(shù)字電路和系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　 3、三值QCA(tQCA)基本邏輯電路的Matlab仿真。現(xiàn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用二值邏輯電路，主要受限于電路元件

6、只有開關(guān)兩種狀態(tài)的技術(shù)條件限制。其實(shí)多值邏輯電路(MVI)由于信號線能傳輸多值信號，可攜帶比二值信號更多的信息量，從而有效地提高電路的信息密度，減少互連線，提高系統(tǒng)工作速度。在介紹tQCA細(xì)胞的基礎(chǔ)上，循著二值QCA邏輯電路的研究思路，提出了基于Matlab的tQCA基本邏輯電路的半經(jīng)典模型的仿真算法。隨后分別對tQCA信號線、非門和多數(shù)門進(jìn)行了編程仿真。結(jié)果表明，三值QCA邏輯電路并不是二值QCA邏輯電路的簡單推廣，其電路設(shè)計(jì)理論和設(shè)