用于时钟变换的QC-BC01电路模块

摘要

本发明创造了一种把QC转换为BC01的电路，该电路由四个阈0.5的NMOS管、三个阂1.5的NMOS管、一个阈2.5的NMOS管、两个阈-0.5的PMOS管、一个阈-1.5的PMOS管和一个阈-2.5的PMOS管组成；本发明的价值在于：该转换电路在确保QC有用信息不丢失的前提下，将QC信号转换为易于识别和使用的BC01信号；这样一方面可以使用QC信号驱动基于BC01信号的数字电路，另一方面解决了QC与BC01间的兼容问题；另外，由于该转换电路把识别难度大的QC转换为了易识别的BC01，所以可采用该转换电路和简单的BC01识别电路来组成QC的识别电路，这样可降低QC应用电路的复杂度，进而有助于QC的推广应用。

说明书

技术领域 本发明涉及一种将四值时钟(Quaternary Clock，QC)转换为二值时钟(Binary Clock，BC)的CMOS电路。

背景技术 数字电路系统包含时钟子系统，而时钟子系统又分为时钟分布网络和触发器两部分^[1]。现有技术的时钟子系统为二值时钟子系统。而多值信号具有信息量大的特点^[2-6]，例如，四值时钟信号QC在一个周期内有六次跳变(边沿)^[6]，而传统的二值时钟BC在一个周期内只有两次跳变。由于前者在一个周期内的边沿数是后者的三倍，所以数字电路使用四值时钟有利于降低系统功耗^[6]。另外，四值信号等多值信号比二值信号更适合与下一代多值的新型纳米电子器件设计数字电路系统^[6，7]。例如，2012年首次报道的新型场效应管QDG-QDCFET^[8]由于具有四个工作状态而更适合用于设计和实现四值逻辑电路^[7]。因此，四值时钟也将更适合与多值的纳米电子器件设计数字电路系统。基于四值时钟的优点，目前已经有文献[4-6]对四值时钟进行了一定的应用研究。在研究四值时钟应用的过程中，出现了以下两个问题：一、与二值时钟的兼容问题；二、如何高效地识别和利用四值时钟，使四值时钟的应用电路尽可能简单的问题。目前，现有数字电路中的锁存器、触发器等时序部件几乎都是基于二值时钟而设计的，而非四值时钟。这样会出现使用四值时钟的数字系统与使用二值时钟的数字系统在进行同步数据交换时两者时钟信号不兼容的问题。解决该问题的难点在于：四值时钟的六次边沿既要得到充分利用，又要能驱动使用二值时钟的数字系统进行工作。不解决该问题，四值时钟就难以得到深入而广泛的应用，其低功耗等优势也难以显现。另外，由于四值时钟有四个电平值和六种跳变沿，所以检测和识别四值时钟要难于传统的二值时钟。如何使四值时钟易于识别和使用，使其识别和应用电路尽可能简单，是四值时钟应用的第二个问题。

参考文献：

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发明内容 针对上述四值时钟QC应用中出现的问题，本发明的任务就是在保持四值时钟QC优势即充分利用四值时钟六次跳变的前提下，来解决四值时钟QC与二值时钟BC间的兼容问题，和四值时钟难识别的问题。

为完成发明任务，本发明创造了一种把四值时钟QC转换为二值时钟BC的CMOS电路。该电路在保持时钟边沿数不变的前提下将四值时钟QC的六种跳变沿转换为二值时钟BC的两种跳变沿。

本发明采取的技术方案是：首先，结合相关研究文献对四值时钟QC的电平逻辑值进行分类总结；然后，在保持时钟的边沿数不变的前提下，把四值时钟QC的四种电平逻辑值转换为两种电平逻辑值；最后，根据传输电压开关理论用MOS管实现将四值时钟QC转换为二值时钟BC的电路。该电路输出的二值时钟BC一方面可用于驱动传统基于二值时钟的数字电路，解决了四值时钟QC的兼容问题；另一方面，输出的二值时钟BC只有两个电平值，用一个电平阈值就可以识别，解决了四值时钟QC难识别的问题。

上述的将四值时钟QC转换为二值时钟BC的电路包含如下技术特征：

A、该电路的输入信号为一个四值时钟QC，其电平逻辑值为0、1、2和3，四值时钟的切换次序为0→1→2→3→2→1→0；

B、该电路的输出信号为一个二值时钟BC，其电平逻辑值为0和1，二值时钟的切换次序为0→1→0；

C、当四值时钟QC输入0或2时，二值时钟BC输出电平逻辑值0；

D、当四值时钟QC输入1或3时，二值时钟BC输出电平逻辑值1。

具有上述技术特征的电路能把切换次序为0→1→2→3→2→1→0的四值时钟QC转换为切换次序为0→1→0的二值时钟BC。从该电路的输入输出信号可以看出，在一定时间段内，两种时钟的边沿数相同，而且输出的二值时钟BC比输入的四值时钟QC易于识别。因此，本发明采用包含上述技术特征的技术方案可以完成本次的发明任务。

根据上述的技术特征和传输电压开关理论^[2，3]，可以获得上述时钟转换电路的开关级函数表达式，如式(1)所示，其输入和输出信号分别为四值时钟QC和二值时钟BC。

BC＝0*(QC⁰⁵+^1.5QC·QC^2.5)#1*(^0.5QC·QC^1.5+^2.5QC).   (1)

为易于用MOS管实现式(1)，对其进行开关级的表达式变换。变换后的开关级函数表达式如式(2)所示。

$>\mathrm{BC}=0*(\overline{\mathrm{QC}\left(0.5\right)}+_{0.5}\mathrm{QC}_{1.5}·\overline{\mathrm{QC}\left(2.5\right)}_{0.5})\#1*(\overline{\mathrm{QC}\left(0.5\right)}_{0.5}·+\overline{\mathrm{QC}\left(1.5\right)}_{0.5}\mathrm{QC}_{2.5})---\left(2\right)$>

根据式(2)可知，需要用到四个阈0.5的NMOS管、三个阈1.5的NMOS管、一个阈2.5的NMOS管、两个阈-0.5的PMOS管、一个阈-1.5的PMOS管和一个阈-2.5的PMOS管。用这12个MOS管可构成四值时钟转换为二值时钟的电路，其输入端接四值时钟QC，在输出端输出周期为0→1→0的二值时钟BC。由于该电路共使用了12个MOS管，所以本发明的电路简单。

该时钟转换电路能将四值时钟QC的六种边沿转换为二值时钟BC的两种边沿，且在相同的时间段内两种时钟的边沿数是相同的。这样就充分利用了四值时钟QC的六个边沿从而保持了四值时钟的优势，又能驱动使用二值时钟的数字电路。这使四值时钟QC与二值时钟BC的兼容问题得到解决；而且由于转换输出的二值时钟BC只有两个电平，比识别四值时钟QC的四个电平要容易，因此本次发明的电路通过时钟转换也解决了四值时钟QC难识别的问题。

从上述内容可以看出，发明的时钟转换电路既解决了四值时钟QC与二值时钟BC的兼容问题又解决了四值时钟QC难识别的问题。这样，可使用有低功耗优势的四值时钟来驱动基于二值时钟的数字电路，从而降低系统功耗；另外，本次发明的时钟转换电路输出的是易识别的二值时钟BC，这样可降低应用四值时钟电路的复杂度，进而有利于四值时钟的推广应用。

附图说明 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是输入、输出信号分别为四值时钟QC和二值时钟BC的时钟转换电路的CMOS线路图。

图2是图1所示电路中四值时钟QC和二值时钟BC的电压瞬态波形图。

具体实施方式 根据式(2)，可以得到本次发明的时钟转换电路的开关级实现，其线路图如图1所示，该电路使用了四个阈0.5的NMOS管、三个阈1.5的NMOS管、一个阈2.5的NMOS管、两个阈-0.5的PMOS管、一个阈-1.5的PMOS管和一个阈-2.5的PMOS管，共12个MOS管。其工作原理为：在输入端(QC)接入四值时钟：0→1→2→3→2→1→0，在输出端(BC)就输出二值时钟：0→1→0。利用本发明可以轻易获得电平逻辑值符合发明技术特征的二值时钟BC。如果其后接阈0.5四值反相器，那么可以获得周期为3→0→3的二值时钟。因此，本发明的时钟转换电路结构简单，使用方便。

为验证本次发明的电路，下面用HSPICE软件对其进行模拟。模拟采用的工艺为TSMC 180nm CMOS，输出负载为30fF。四值时钟的四个电平逻辑值0、1、2和3对应的电压值分别为0V、1.67V、3.33V和5.0V；二值时钟的两个电平逻辑值0和1对应的电压值分别为0V和1.67V。模拟所得的电压瞬态波形如图2所示，其中QC和BC分别为发明电路输入的四值时钟和输出的二值时钟。图2的模拟结果表明，本发明能把周期为0→1→2→3→2→1→0的四值时钟转换为周期为0→1→0的二值时钟，实现了在发明内容中提出的技术特征。

总结：本次发明的时钟转换电路具有正确的功能，能将四值时钟的六次跳变都转换为二值时钟的跳变，使两种时钟的跳变数保持不变，解决了四值时钟应用中遇到的两个问题，完成了发明任务。本发明只使用了12个MOS管，电路简单；且HSPICE软件模拟结果表明，本发明的电路工作稳定可靠。最后需指出的是，本发明适用于需要将四值时钟转换为二值时钟且当四值时钟输入0或2时须输出0而当四值时钟输入1或3时须输出1的时钟转换应用场合。