基于R-SET结构逻辑门电器及解发器设计及应用分析

胡　杰（南京科远自动化集团股份有限公司,南京　211102）

基于R-SET结构逻辑门电器及解发器设计及应用分析

胡杰
（南京科远自动化集团股份有限公司,南京211102）

R-SET结构是一种基于单电子晶体管的新型电路结构，本文从该结构的反相器作为入手点，对这种结构的性能和工作原理等进行详细的分析，并且探讨基于R-SET结构的逻辑门电气、解发器的设计要点，希望在以后的设计过程中能进行更好的优化。

R-SET结构；逻辑门电器；解发器

单电子晶体管（简称SET）目前已成为了微电子低功率研究领域的全新的课题，SET其具有的互补性特点与CMOS管的电路结构非常相似，所以学者们开始对其进行广泛的研究。本文通过基于R-SET结构对SET电路进行设计，了解其工作原理和运行的性能情况，为以后的用电器设计以及解发器的设计提供更多的理论依据。

1　SET的I-V特性

在单电子晶体管中若SET结构中的源极和漏极其偏置适当，那么其电压能够通过栅极进行改变，同时能够实现周期性的阻塞和隧穿。在I/V特性曲线图中如果电荷状态的背景不同，那么该结构的源极、漏极之间的电流则会体现出相移的特性。

2　R-SET结构和门电路设计

2.1R-SET结构

在R-SET结构中其上端的SET管其D、G两级均处于高电平，其电流为恒定值，从而有效的将输出电阻进行上拉操作。由图可知上端的S极和下端的D极相连，从而形成了R-SET的结构。

图1中我们分别将R-SET结构、R-SET结构的反相器、反相器的传输特性曲线再加上瞬态曲线等进行展示。图中b所示，即R-SET的反相器结构，其中负载管是T1，T1能够将栅极管和偏置电源进行相连，连通之后一直处于微导通的状态，导通的电流为恒定值因而其主要的作用就是充当上拉电阻；工作管为T2，T2的栅极和输出端相连，工作管的漏极和负载管的源极相连。上图中c所体现的是该电路中的传输特性，如果输入的电平较高，那么工作管将会保持隧穿状态，此时工作管的电阻值在负载管内完全可以忽略，那么输出端的电平则为低电平；相反如果输入端的电平较低，此时的工作管处于阻塞或者停滞状态，此时负载管导通，因而输出端的电平较高，这就完全实现了反相器的功能。通过对瞬态仿真结果的分析，充分的体现了该结构逻辑功能的正确性，其传输平均延时较短，该结构反相其的噪声容限较大。

2.2基于R-SET结构的逻辑门电路

若或非门电路的输入端高电平为25mV，输入端的低电平为0；该电路显示出其具有电压整形的特点。如果输入的仿真波形为高电平，那么其输出端的电平均为低电平；相反如果输入端为低电平，那么输出端则为高电平。和互补型的电路相比，其晶体管的数目明显减少，电能的损耗和传输拖延时间均显著降低，在实际的应用过程中能够使用此结构完成各种组合逻辑电路。

3　R-SET结构触发器的设计

3.1R-SET结构SR锁存器

以R-SET结构为基础设计的SR锁存器电路是两个或非门共同组成的稳态电路，我们将其仿真波形演示。

在仿真波演示中若使R=0且S=0时，两个或非门没有任何的影响，电路由于获得了内部的反馈信号，从而能够保持之前的状态；如果S=0且R=1时，其中一个或非门输出端的电平为低电平，如果信号传输到另一个或非门时其输出端的电平为高电平；不管触发器之前处于什么状态，即如果是“0”状态，且条件不变，那么=1，Q=0；若S=1且R=0,那么肯定会存在Q=1，=0,那么该种状态非“0”状态，同样也非“1”状态。但若S、R的输入端和输出端的电平均为低电平，那么触发器的状态依然无法进行判断，而在正常工作时其输入信号必须遵守二者乘积为“0”的条件，所以基于R-SET结构的锁存器具备逻辑功能。

3.2R-SET结构的D触发器设计

D触发器是在锁存器的设计基础上增加一个阻塞电路D触发器，D指的是该触发器中的输入信号。

在对D触发器的仿真波形演示中时钟信号采用clk进行表示，D是触发信号。如果D值为1时，其时钟信号一直上升直到上沿以前，其G4、G5的输出信号一直保持为0；若时钟信号一直上升超过上沿，此时G4、G5的输出信号发生跳变，从之前维持的“0”跳转成“1”。触发器的输出信号Q设置为0；其被设置为1，该电路图便能够将D触发器的维持阻塞的功能精确的反映出来。

D触发器在性能上和互补性SET结构相比R-SET结构的功耗更小、噪声容限更大，延时更短电压增益情况表现均存在优势，因此其以后的市场将会更加的广阔。

4　结束语

本文所介绍的R-SET结构在单电子晶体管的逻辑电路设计电路中应用十分广泛，其设计的基础为SET结构的反相理论。我们通过对其结构的性能和工作原理等进行分析，结果得出相比于互补性的SET逻辑电路设计，基于R-SET结构的电气和解发器其在性能上和功能上都具有非常明显的优势，随着人们的研究的不断深入，相信在不久的未来R-SET结构将会彻底取代MOS器件。

[1]魏齐良.基于单电子晶体管结构电路设计和三值电路设计[J].浙江大学,2013(02).

[2]章专,魏齐良,申屠粟民.基于R-SET结构的逻辑门电路和触发器设计 [J].浙江大学学报（理学版）,2013(3).