3 SET/MOSFET 数值比较器的实现

　　在计算机和数字系统中，特别是在计算机中都具有运算功能，一种简单而又常用的运算是比较两个数X 和Y 的大小，因此，在多情况下都用到数字比较器，需要判断出X>Y,X<Y, X =Y三种情况，其中应用最广泛的是反馈量和给定量之间的比较。一位数字比较器的逻辑表达式为：

                                (X>Y)=XY (1)

　　利用a=1，b=0 时的SET 并联门电路实现；

                                 (X<Y)=XY （2）

　　利用a=0，b=1 时的SET 并联门电路实现；

                                  (X=Y)=XY+XY （3）

　　利用a= 1 时的SET 求和门电路实现。
　结合以上分析，利用SET/MOSFET 的混合结构设计出一位比较器的电路，如图4 所示。

图4 一位比较器电路图

　　由图4 可以看出，一位比较器由五个双栅SET，三个耗尽型NMOSFET，三个恒流源构成。结构简单，实现容易，更重要的是它的管子数大大减少，有利于进一步提高集成度，较好的适应了集成电路的发展要求，同时MOSFET 晶体管的高速、高驱动性为下一级电路的提供了可靠的工作环境。

　　4 仿真分析

　　Mahapatra, Ionescu, Banerjee 等人2004 年提出SET 的MIB 数学模型[5]。该模型可以精确地描述SET 低温低功耗下的I-V 特性。适当选取SET/MOSFET 的各物理参数使用该模型对该一位比较器进行仿真，得到图5 的参数仿真分析结果，各参数选取如表1 所示。

　　图5 中X 和Y 为输入信号，Z 为输出信号。当输入X 为高电平信号，Y 为低电平信号，输出Z 实现的是X>Y 功能，如图5 所示。同理可得，当输入X 为低电平信号，Y 为高电平信号，输出Z 实现的是X<Y 功能；当输入X 为高（或低）电平信号，Y 为高（或低）电平信号，输出Z 实现的是X=Y 功能。首先，从仿真结果可见，波形较好地反映了一位比较器的功能，验证了利用混合双栅极SET/MOSFET 实现‘同或’功能的正确性。其次，比较器的输入高低电平分为110mV 和0V，而输出高低电平逼近于1V 和0V，从数据分析结果可见，低输入高输出电压可较好地驱动负载电路。最后，由MIB 的仿真模型，可以算出通过偏置电压VDD 的漏电流为6.3E-9A ，从而得出该比较器的静态总功耗为6.3nW。所以用SET/MOSFET 构成的电路具有极低的功耗，量级为nW 级，它比CMOS 电路低4-5 个量级。

　　5 结论

　　本文作者创新点：基于数字电路的逻辑设计思想，利用SET/MOSFET 混合结构的传输特性，设计构造了一位数值比较器结构。通过仿真分析和验证，该比较器的优点有：结构简单；传输特性好；驱动负载工作能力强，通过适当选取混合SET/MOSFET 的各个物理参数，尤其是SET 的物理参数，可以达到低输入电压和高输出电压；同时利用混合双栅极SET/MOSFET 实现‘同或’功能大大减少了管子的数目，更进一步提高了集成度，降低了功耗，更有利于大规模集成电路的实现。