CN103281082A

CN103281082A - 一种基于忆阻器件的模数转换电路

Info

Publication number: CN103281082A
Application number: CN2013102363255A
Authority: CN
Inventors: 刘洋; 董华; 吴霜毅; 胡绍刚; 李竞春; 于奇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: CN103281082B

Abstract

本发明涉及半导体集成电路领域，其公开了一种新型的高精度、低功耗、占用芯片面积小的基于忆阻器件的模数转换电路。该模数转换电路包括压控振荡器、状态控制电路、频率比较电路和输出电路；压控振荡器用于将输入模拟电压量的大小转换为由周期性交流信号频率的大小来表征的电信号，该电信号用于对频率比较电路进行编程；状态控制电路用于根据控制时序来控制对频率比较电路的编程、状态读取和复位操作；频率比较电路用于将压控振荡器输出的周期性交流信号的频率大小转换为由忆阻器件高低阻值表征的数字信号；输出电路用于在状态控制电路的控制下对经过频率比较电路转换出来的数字信号进行输出。本发明适用于进行模拟信号到数字信号的转换。

Description

一种基于忆阻器件的模数转换电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，特别涉及一种基于忆阻器件的模数转换电路，用于进行模拟信号到数字信号的转换。

背景技术

模数转换器（ADC），是一种将模拟信号转换成相应的数字信号的电路。当今模拟电子技术及其器件日臻完善，数字技术、计算机软件更是日新月异，而模数转换技术作为模拟领域与数字领域进行信息交换的桥梁，在工程技术各个领域应用十分广泛，它使检测技术、智能仪器仪表、计算机测控技术等发生了更新换代的变化。

任何模数转换器都包括三个基本功能：抽样、量化和编码：抽样是将模拟信号在时间上离散化，使之成为抽样信号；量化是将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；编码则是将数字信号最终表示成数字系统所能接受的形式。如何实现这三个功能就决定了ADC的形式和性能。同时，ADC的分辨率越高，需要的转换时间就越长，转换速率就越低，故ADC的分辨率和转换速率两者总是相互制约的。因而在发展高分辨率ADC的同时要兼顾高速，在发展高速ADC的同时要兼顾高分辨率，在此基础上还要考虑功耗、体积、便携性、多功能、与计算机及通讯网络的兼容性以及应用领域的特殊要求等问题，这样也使得ADC的结构和分类错综复杂。

另一方面，忆阻器件（MEMRISTOR）是一种新型的二端器件，根据两端所加电压的不同，器件会在高阻态和低阻态之间转变。忆阻器件由高阻态转变为低阻态的过程称为置位（SET），由低阻态转变为高阻态的过程称为复位（RESET）。当给忆阻器件外加足够大的正向电压时，忆阻器件由高阻态变为低阻态，外加足够大的负向电压时，忆阻器件由低阻态变为高阻态，其阻态的变化还受外加信号的频率的影响，并且其阻值是非线性变化的。当忆阻器件两端电压低于阈值电压时，忆阻器件的状态变化很小或者基本不便，当忆阻器件的两端电压高于阈值电压时，忆阻器件的状态发生改变。由于忆阻器件的杂质迁移率受其材料的限制，在外加高频激励信号的一个周期内，忆阻器件没有充分的时间去调整阻值的变化，故而忆阻器件此时表现为普通的电阻元件。通常忆阻器件的高阻态和低阻态电阻值相差三个以上数量级，两种阻态的转变时间可低至纳秒量级，工作电压低，并且其阻态的变化还受到外加信号的频率和幅度的影响。

如何应用忆阻器件的上述特点设计出一种具有高精度、低功耗、占用芯片面积小等优点的模数转换电路成为当前研究的重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种新型的高精度、低功耗、占用芯片面积小的基于忆阻器件的模数转换电路。

本发明解决上述技术问题采用的方案是：一种基于忆阻器件的模数转换电路，包括压控振荡器、状态控制电路、频率比较电路和输出电路；

所述压控振荡器用于将输入模拟电压量的大小转换为由周期性交流信号频率的大小来表征的电信号，该电信号用于对所述频率比较电路进行编程；

所述状态控制电路用于根据控制时序来控制对所述频率比较电路的编程、状态读取和复位操作；

所述频率比较电路用于将所述压控振荡器输出的周期性交流信号的频率大小转换为由忆阻器件高低阻值表征的数字信号；

所述输出电路用于在状态控制电路的控制下对经过所述频率比较电路转换出来的数字信号进行输出。

进一步，所述频率比较电路包括线性电阻及忆阻器件，所述忆阻器件的顶电极（TE）与所述线性电阻的一端相连，其底电极（BE）接地。

进一步，所述状态控制电路包括第一开关、第二开关、第三开关及时序控制电路；压控振荡器的输出通过所述第一开关连接频率比较电路中的线性电阻的另一端；所述线性电阻的另一端还通过所述第二开关连接读取电压信号；所述忆阻器件的顶电极通过第三开关连接复位电压信号；所述时序控制电路用于产生控制时序分别控制第一开关、第二开关、第三开关的开关状态。

进一步，所述状态控制电路还包括第四开关，所述第四开关连接所述忆阻器件的顶电极及所述输出电路，所述时序控制电路产生的控制时序还用于控制所述第四开关的开关状态。

进一步，所述输出电路包括两个串联的反相器。

进一步，所述时序控制电路包括第一D触发器、第二D触发器、第一与门电路、第二与门电路、第三与门电路、第四与门电路、第五与门电路；所述第一D触发器的输入端接第四与门电路的输出端，其输出端Q接第二与门电路的一个输入端，其输出端

接第一与门电路的一个输入端、第三与门电路的一个输入端、第四与门电路的一个输入端、第五与门电路的一个输入端；所述第二D触发器的输入端接第五与门电路的输出端，其输出端Q接第一与门电路的另一个输入端、第四与门电路的另一个输入端，其输出端

接第二与门电路的另一个输入端、第三与门电路的另一个输入端、第五与门电路的另一个输入端；所述第一D触发器和第二D触发器的脉冲控制端均接时钟信号；所述第一与门电路的输出端产生的时钟信号用于控制第一开关的开关状态；所述第二与门电路的输出端产生的时钟信号用于控制第二开关和第四开关的开关状态；所述第三与门电路的输出端产生的时钟信号用于控制第三开关的开关状态。

本发明的有益效果是：基于忆阻器件实现的模数转换电路大大减小了功耗和电路实现面积，降低了电路成本，同时具有模数转换和非挥发存储的特性。

附图说明

图1为本发明中的频率比较电路的电路原理示意图；

图2为本发明中的模数转换电路的电路原理示意图；

图3为本发明中的时序控制电路的结构示意图；

图4为基于模数转换电路单元实现的装置实施例的电路原理示意图；

图5为忆阻器件的SPICE模型示意图；

图6为时序电路输出时序示意图；

图7为频率为20kHz峰-峰值为1.6V的正弦波示意图；

图8为对输入为频率为20kHz峰-峰值为1.6V的正弦波的仿真结果示意图；

图中，S1为第一开关、S2为第二开关、S3为第三开关、S4为第四开关、D1为第一D触发器、D2为第二D触发器、N1为第一与门电路、N2为第二与门电路、N3为第三与门电路、N4为第四与门电路、N5为第五与门电路、V_IN为输入信号、V_READ为读取电压信号、V_RESET为复位电压信号。

具体实施方式

本发明提出的模数转换电路包括状态控制电路、频率比较电路、压控振荡器和输出电路四个部分，其中压控振荡器用于将输入模拟电压量的大小转换为由周期性交流信号频率的大小来表征的电信号，该电信号用于对频率比较电路的编程；状态控制电路用于控制对频率比较电路的编程、状态读取和复位操作；输出电路用于在状态控制电路的控制下对经过所述频率比较电路转换出来的数字信号进行输出；而频率比较电路为模数转换电路的核心，其用于将经过压控振荡器转换输出的周期性交流信号频率的大小转换为由忆阻器件高低阻值表征的数字信号；如图1所示，频率比较电路由线性电阻R1和忆阻器件M1构成，在其工作时，对频率比较电路外加周期性交流信号，初始时忆阻器件为高阻态，由于高态电阻值远大于R1，几乎全部的外加信号都加在忆阻器件上，当外加信号频率高于忆阻器件的转折频率f_c时，在输入信号的一个周期内，忆阻器件没有足够的时间从高阻态变到低阻态，由忆阻器件阻值的非线性变化原理，此时忆阻器件阻值维持在高阻态不发生改变，当外加信号频率低于忆阻器件的转折频率f_c时，在信号的正半周期，忆阻器件状态发生改变，由高阻态变为低阻态，当信号的负半周期到来时，由于忆阻器件此时为低阻态，由R1的分压作用，忆阻器件上只能分到很小的电压，不足以让忆阻器件的状态发生改变，由忆阻器件阻值的非线性变化原理，此时忆阻器件将维持在低阻态不发生变化，即频率比较电路状态发生改变，完成了频率比较的作用。并且可以通过选取具有不同转折频率的忆阻器件以产生不同的参考频率。

如图2所示，本发明中的模数转换电路包括状态控制电路、频率比较电路、压控振荡器和输出电路，其中，频率比较电路包括线性电阻R1及忆阻器件M1，所述忆阻器件M1的顶电极（TE）与所述线性电阻R1的一端相连，其底电极（BE）接地；状态控制电路包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4及时序控制电路；压控振荡器（VCO）的输出通过所述第一开关S1连接频率比较电路中的线性电阻R1的另一端；所述线性电阻R1的另一端还通过所述第二开关S2连接读取电压信号V_READ；所述忆阻器件M1的顶电极通过第三开关S3连接复位电压信号V_RESET；所述第四开关S4连接所述忆阻器件M1的顶电极及所述输出电路；所述时序控制电路用于产生控制时序分别控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4的开关状态；所述输出电路包括两个串联的反相器。

该模数转换电路在工作时，加在频率比较电路上的电压信号由状态控制电路控制，状态控制电路对频率比较电路进行三个操作：1.用由输入信号V_IN控制压控振荡器（VCO）产生的周期性正弦波对频率比较电路编程；2.读出频率比较电路的状态，并转换为数字信号；3.对忆阻器件进行复位；此三个操作由开关S1、S2、S3和S4控制；而控制时序由时序控制电路来产生，对于时序控制电路的结构来说，如图3所示，包括第一D触发器D1、第二D触发器D2、第一与门电路N1、第二与门电路N2、第三与门电路N3、第四与门电路N4、第五与门电路N5；所述第一D触发器D1的输入端接第四与门电路N4的输出端，其输出端Q接第二与门电路N2的一个输入端，其输出端

接第一与门电路N1的一个输入端、第三与门电路N3的一个输入端、第四与门电路N4的一个输入端、第五与门电路N5的一个输入端；所述第二D触发器D2的输入端接第五与门电路N5的输出端，其输出端Q接第一与门电路N1的另一个输入端、第四与门电路N4的另一个输入端，其输出端

接第二与门电路N2的另一个输入端、第三与门电路N3的另一个输入端、第五与门电路N5的另一个输入端；所述第一D触发器D1和第二D触发器D2的脉冲控制端均接时钟信号CLK；

通过输入时钟信号CLK产生三个不交叠的时钟信号CTRL-S1、CTRL-S2和CTRL-S3；所述第一与门电路N1的输出端产生的时钟信号CTRL-S1用于控制第一开关S1的开关状态；所述第二与门电路N2的输出端产生的时钟信号CTRL-S2用于控制第二开关S2和第四开关S4的开关状态；所述第三与门电路N3的输出端产生的时钟信号CTRL-S3用于控制第三开关S3的开关状态，其具体控制原理为：当CTRL-S1为高电平时，开关S1导通，S2、S3和S4关断，根据输入电压V_IN的大小，压控振荡器（VCO）产生相应频率的周期性正弦信号加在频率比较电路上，对频率比较电路进行编程；当CTRL-S2为高电平时，开关S2和S4导通，S1和S3关断，一个不影响忆阻器件状态的读电压V_READ加在频率比较电路上，由于S4导通，忆阻器件的阻值状态转化为相应的高低电平然后经过两个串联的反相器后，阻值状态被读出，得到相应的数字信号OUT，数字1代表忆阻器件为高阻态，数字0代表忆阻器件为低阻态；当CTRL-S3为高电平时，开关S3导通，S1、S2和S4关断，忆阻器件M的顶电极(TE)接复位电压V_RESET，底电极(BE)接零电位，忆阻器件被复位到高阻态，也即频率比较电路被复位到初始态。

因此本发明有效合理的利用了忆阻器件高低阻态的转变与忆阻器件两端电压信号的频率和大小的关系，根据忆阻器件阻值非挥发的特点，通过控制电路对由线性电阻和忆阻器件构成的频率比较电路进行精确控制，从而实现了模拟信号在低功耗下快速的转换为数字信号。

实施例：

基于本发明中的模数转换电路单元实现的模数转换装置如图4所示，其包括16个频率比较电路，实现分辨率为4位，时钟频率为1MHz的模数转换装置；为了对该模数转换装置进行仿真，首先需要建立忆阻器件的SPICE模型，根据忆阻器件的工作特性，本实例建立了图5所示的SPICE模型；忆阻器件的SPICE模型分为两部分：图5左边所示为阻值选择电路，R_LRS和R_HRS分别为低态电阻和高态电阻，代表忆阻器件的最大阻值和最小阻值，根据外加信号V_APP的极性、频率和幅度，两个开关Q和QB之一导通，已选择相应的阻值状态。图5右边所示为状态选择电路，根据输入电压V_APP的极性、频率和幅度，产生两个电压Q和QB以控制阻值选择电路的两个开关。

本实例中电压源V_RESET为-2V，V_READ为0.7V，压控振荡器输出幅度为1.5V的正弦波，输出信号频率与控制电压的关系式为：

f_OUT=f₀+K_VCOV_IN

其中f₀为1MHz，K_VCO为20M。对于幅度为1.5V的正弦波，频率比较电路中忆阻器件的转折频率以2MHz的步长递增，即M1的转折频率f_c为2MHz，M2的转折频率f_c为4MHz，M3的转折频率f_c为6MHz，M16的转折频率f_c为32MHz。当压控振荡器（VCO）输出信号频率高于忆阻器件的转折频率f_c时，忆阻器件维持在高阻态不发生变化，则该位输出高电平1，当压控振荡器（VCO）输出信号频率低于转折频率f_c时，忆阻器件由高阻态变为低阻态，频率比较电路状态发生反转，该位输出低电平0。

此外，由于忆阻器件具有非挥发的特性，编程后的数据即使在断电后也将保存在频率比较电路中，因此该模数转换电路同时具有模数转换和数据存储的特性。

下面以该模数转换装置中的最低位电路为例来说明其工作过程：控制时序如图6所示，

第一个时钟时，CTRL-S1为高电平，CTRL-S2和CTRL-S3为低电平，从而开关S1闭合，S2、S3和S4关断，频率比较电路接压控振荡器（VCO）的输出，由输入电压V_IN控制的VCO输出信号对频率比较电路编程，若输出信号频率高于忆阻器件M1的转折频率f_c，则忆阻器件M1的阻态保持在高阻态不发生变化，若输出信号频率低于忆阻器件M1的转折频率f_c，则忆阻器件M1由高阻态变为低阻态。

第二个时钟时，CTRL-S2为高电平，CTRL-S1和CTRL-S3为低电平，从而开关S2和S4闭合，S1和S3关断，频率比较电路接读电压V_READ，忆阻器件M1上的分压通过两个反相器输出，高阻态输出高电平1，低阻态输出低电平0，从而实现了模拟电压到数字信号的转换。

第三个时钟时，CTRL-S3为高电平，CTRL-S1和CTRL-S2为低电平，从而开关S3闭合，S1、S2和S4关断，忆阻器件M1的顶电极（TE）接复位电压源V_RESET，底电极（BE）接零电位，从而使忆阻器件M1被复位到高阻态，也即频率比较电路被复位到了初始态。

对于其它位电路的工作原理同上，这里不再具体赘述。

输入图7所示的频率为20kHz，峰-峰值为1.6V的正弦波，经过模数转换产生的数字信号如图8所示，从图中可以看出输出为一个阶梯状正弦波，从而完成了模拟信号到数字信号的转换。

需要说明的是，本发明要求保护的方案包含但不仅限于上述实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明精神实质情况下根据上述实施例的描述所做出的等同修改/替换，皆在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于忆阻器件的模数转换电路，其特征在于，包括压控振荡器、状态控制电路、频率比较电路和输出电路；

2.如权利要求1所述的一种基于忆阻器件的模数转换电路，其特征在于，所述频率比较电路包括线性电阻（R1）及忆阻器件(M1)，所述忆阻器件(M1)的顶电极与所述线性电阻(R1)的一端相连，其底电极接地。

3.如权利要求2所述的一种基于忆阻器件的模数转换电路，其特征在于，所述状态控制电路包括第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)及时序控制电路；压控振荡器的输出通过所述第一开关(S1)连接频率比较电路中的线性电阻(R1)的另一端；所述线性电阻(R1)的另一端还通过所述第二开关(S2)连接读取电压信号；所述忆阻器件(M1)的顶电极通过第三开关(S3)连接复位电压信号；所述时序控制电路用于产生控制时序分别控制第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)的开关状态。

4.如权利要求3所述的一种基于忆阻器件的模数转换电路，其特征在于，所述状态控制电路还包括第四开关(S4)，所述第四开关(S4)连接所述忆阻器件(M1)的顶电极及所述输出电路，所述时序控制电路产生的控制时序还用于控制所述第四开关(S4)的开关状态。

5.如权利要求4所述的一种基于忆阻器件的模数转换电路，其特征在于，所述输出电路包括两个串联的反相器。

6.如权利要求5所述的一种基于忆阻器件的模数转换电路，其特征在于，所述时序控制电路包括第一D触发器(D1)、第二D触发器(D2)、第一与门电路(N1)、第二与门电路(N2)、第三与门电路(N3)、第四与门电路(N4)、第五与门电路(N5)；所述第一D触发器(D1)的输入端接第四与门电路(N4)的输出端，其输出端Q接第二与门电路(N2)的一个输入端，其输出端

接第一与门电路(N1)的一个输入端、第三与门电路(N3)的一个输入端、第四与门电路(N4)的一个输入端、第五与门电路(N5)的一个输入端；所述第二D触发器(D2)的输入端接第五与门电路(N5)的输出端，其输出端Q接第一与门电路(N1)的另一个输入端、第四与门电路(N4)的另一个输入端，其输出端

接第二与门电路(N2)的另一个输入端、第三与门电路(N3)的另一个输入端、第五与门电路(N5)的另一个输入端；所述第一D触发器(D1)和第二D触发器(D2)的脉冲控制端均接时钟信号；所述第一与门电路(N1)的输出端产生的时钟信号用于控制第一开关(S1)的开关状态；所述第二与门电路(N2)的输出端产生的时钟信号用于控制第二开关(S2)和第四开关(S4)的开关状态；所述第三与门电路(N3)的输出端产生的时钟信号用于控制第三开关(S3)的开关状态。