CN103762973B - 基于rram的可调幅脉冲产生电路及调节其脉冲幅度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于RRAM的可调幅脉冲产生电路及调节其脉冲幅度的方法，包括顺序连接的一个积分器和一个微分器，其特征在于，所述积分器中的输入电阻为一个带有阻值调节电路的第一RRAM，所述微分器中的反馈电阻为一个带有阻值调节电路的第二RRAM。本发明通过利用RRAM多阻态的特点实现了一种可调幅脉冲产生电路，并且可以在任意时刻对产生脉冲的幅度进行修改，通过利用RRAM作为逻辑器件，进一步拓宽了RRAM的应用领域。

Description

基于RRAM的可调幅脉冲产生电路及调节其脉冲幅度的方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路设计技术领域，尤其涉及一种基于RRAM的可调幅脉冲产生电路及调节其脉冲幅度的方法。

背景技术

阻变存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来进行信息存储的非易失性存储器（NVM）器件。近年来，几乎在各类材料中都发现有阻变现象，且RRAM具有高密度、高速度、可缩小性好、易于制备和低功耗的优点，所以它在存储器的发展当中占据着越来越重要的地位。

对于RRAM的操作可以包含置位（Set）和复位（Reset）两大类，当对RRAM进行Set操作时，RRAM由高阻态变为低阻态，当对RRAM进行Reset操作时，RRAM的阻值由低阻态变为高阻态。根据Set操作和Reset操作电压极性的不同，可以将RRAM分为双极型（Bipolar）和单极型（Unipolar）两大类，双极型RRAM的Set电压和Rest电压极性相反，单极型RRAM的Set和Reset电压极性相同。

目前，RRAM的应用主要是阻变存储器，它利用阻变材料的电阻变化来进行数据存储。此外，根据RRAM的阻变特性，还可以将RRAM用作逻辑器件。将输入信号转换成对RRAM阻值进行控制的信号，并利用RRAM阻值的变化来得到相应的逻辑关系，结合适当的辅助电路就可以实现需要的逻辑功能。

将RRAM用作电路中的逻辑器件拓宽了RRAM在集成电路领域的应用。RRAM易于制备、速度快和低功耗的优点将使电路的性能得到一定程度的提升。近几年，进一步发现了具有多个阻态的RRAM，这个发现能够大幅度的提升电路的集成度。

现有技术中，大多由振荡电路产生脉冲信号，但是振荡电路都是产生幅度恒定的脉冲信号，幅度的调节需要额外的附加电路才能实现且形式非常复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一般的脉冲产生电路都是产生幅度恒定的脉冲，幅度的调节需要额外的电路且形式非常复杂。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于RRAM的可调幅脉冲产生电路，包括顺序连接的一个积分器和一个微分器；

所述积分器中的输入电阻为一个带有阻值调节电路的第一RRAM，所述微分器中的反馈电阻为一个带有阻值调节电路的第二RRAM。

其中，所述阻值调节电路包括：置位电压源、复位电压源、RRAM和三个金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET；

所述置位电压源连接第一MOSFET形成第一支路，所述复位电压源连接第二MOSFET形成第二支路，将所述第一支路和第二支路并联后与所述RRAM的第一端连接，所述RRAM的第二端与第三MOSFET连接后接地。

其中，所述第一MOSFET连接第一控制电压源；第二MOSFET连接第二控制电压源；第三MOSFET连接第三控制电压源。

其中，所述MOSFET为N型MOSFET。

其中，所述MOSFET为P型MOSFET。

此外，本发明还提出了一种调节上述的电路产生的脉冲幅度的方法，包括以下步骤：

改变所述调节电路的第一控制电压源、第二控制电压源和/或第三控制电压源的电压。

其中，所述改变所述调节电路的第一控制电压源、第二控制电压源和/或第三控制电压源的电压，包括将第一控制电压源和/或第二控制电压源和/或第三控制电压源的电压设置为高电平或低电平。

通过采用本发明所公开的一种基于RRAM的可调幅脉冲产生电路，将RRAM易于制备、尺寸小、低功耗等优点运用到该电路中，利用RRAM多阻态的特点来实现更多幅度可调的脉冲，并且可以在任意时刻对产生脉冲的幅度进行修改；此外，还通过利用RRAM器件作为逻辑器件，进一步拓宽了RRAM器件的应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：是本发明一种基于RRAM的可调幅脉冲产生电路的电路图；

图2：是本发明实施例中输入信号V_in的波形图；

图3：是本发明实施例中积分器输出信号V_out1的波形图；

图4：是本发明实施例中微分器输出信号V_out的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中提出了一种基于RRAM的可调幅脉冲产生电路，如图1所示，包括顺序连接的一个积分器和一个微分器；

所述积分器中的输入电阻为一个带有阻值调节电路的第一阻变存储器RRAM₁，所述微分器中的反馈电阻为一个带有阻值调节电路的第二阻变存储器RRAM₂。

其中积分器还包括放大器P₁、电容C₁和置地电阻R₁，微分器还包括放大器P₂、电容C₂和置地电阻R₂，输入信号V_in通过积分电路的第一阻变存储器RRAM₁从放大器P₁的负输入端输入，经过积分器和微分器进行处理后输出V_out。

其中，所述阻值调节电路包括：置位电压源、复位电压源、RRAM和三个金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET；

所述置位电压源连接第一MOSFET形成第一支路，所述复位电压源连接第二MOSFET形成第二支路，将所述第一支路和第二支路并联后与所述RRAM的第一端连接，所述RRAM的第二端与第三MOSFET连接后接地。

其中，所述第一MOSFET连接第一控制电压源V_cs1；第二MOSFET连接第二控制电压源V_crs1；第三MOSFET连接第三控制电压源为V_c1。

其中，积分器中的第一MOSFET为M₁，第一控制电压源V_cs1；第二MOSFET为M₂，第二控制电压源V_crs1；第三MOSFET为M₃，第三控制电压源为V_c1；微分器中的第一MOSFET为M₄，第一控制电压源V_cs2；第二MOSFET为M₅，第二控制电压源V_crs21；第三MOSFET为M₆，第三控制电压源为V_c2。

其中，所述MOSFET为N型MOSFET。

其中，所述MOSFET为P型MOSFET。

此外，本发明还提出了一种调节上述的电路产生的脉冲幅度的方法，包括以下步骤：

改变所述调节电路的第一控制电压源、第二控制电压源和/或第三控制电压源的电压。

其中，所述改变所述调节电路的第一控制电压源、第二控制电压源和/或第三控制电压源的电压，包括将第一控制电压源和/或第二控制电压源和/或第三控制电压源的电压设置为高电平或低电平。

图1给出了一种基于阻变存储器RRAM的可调幅脉冲产生电路。当调节电路工作时，对RRAM的电阻进行调节，当调节电路中的MOSFET均为N型MOSFET，其中，在积分器中，第一MOSFET的控制电压为V_cs1，第二MOSFET的控制电压为V_crs1，第三MOSFET的控制电压为V_c1，在微分器中，第一MOSFET的控制电压为V_cs2，第二MOSFET的控制电压为V_crs2，第三MOSFET的控制电压为V_c2，；当V_c1（V_c2）和V_cs1（V_cs2）为高电平且V_crs1（V_crs2）为低电平时，对RRAM₁（RRAM₂）进行Set操作，RRAM₁（RRAM₂）的阻值降低；当V_c1（V_c2）和V_crs1（V_crs2）为高电平且V_cs1（V_cs2）为低电平时，对RRAM₁（RRAM₂）进行Reset操作，RRAM₁（RRAM₂）的阻值升高。

当V_c1（V_c2）、V_cs1（V_cs2）和V_crs1（V_crs2）都为低电平时，RRAM阻值调节电路不工作，其阻值保持为定值不变，此时积分器和微分器进行工作。电路的前半部分为积分器，将输入信号V_in输入积分器，V_in进行积分后从V_out1进行输出。设RRAM₁的阻值为r₁，电容的容值为c₁，将V_in输入电路后，得到的V_out1输出结果为：

$V_{\mathrm{out}1}=-\frac{1}{r_1{c}_1}{\∫V}_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}$

电路的后半部分为微分器，V_out1输入微分器之后，V_out1经过微分之后从V_out进行输出。设RRAM₂的阻值为r₂，电容的容值为c₂，将V_out1输入微分器电路，得到的结果为：

$V_{\mathrm{out}}=-\frac{1}{r_2{c}_2}\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{out}1}}{\mathrm{dt}}$

综合上面的过程，将输入信号V_in输入可调幅脉冲产生电路之后，得到的输出信号为：

$V_{\mathrm{out}1}=\frac{1}{r_1{r}_2{c}_1{c}_2}{V}_{\mathrm{in}}$

通过上面的公式可以看出，将输入信号V_in输入可调幅脉冲产生电路之后，输出信号与输入信号成等比例关系，且比例系数与r₁和r₂的阻值有关，通过RRAM阻值调节电路对RRAM的阻值进行调节，可以对输出信号的结果进行调节。

RRAM器件最广泛的应用是用作存储器件，但是在本电路中将其作为逻辑器件用于幅度可调的脉冲产生电路中，可以产生幅度可调的脉冲，并且可以在任意时刻对产生脉冲的幅度进行修改。

根据RRAM的阻态数量可以确定最终产生脉冲的不同幅度数。当RRAM具有N个阻态，最后可以产生N²个不同幅度的脉冲，该电路可产生的脉冲幅度数不依赖于电路的复杂程度，而是RRAM的阻态数量。

下面以方波为例对这一幅度可调的脉冲产生电路的工作过程进行分析。当RRAM具有4个电阻态，所以可以得到具有16种不同幅度的脉冲，由于16种幅度的脉冲比较复杂，在此只讨论4种幅度脉冲的情况，即考虑RRAM₁全部4种电阻态，但是只考虑RRAM₂的1种电阻态，其它的3种跟第1种类似。

输入信号V_in如图2所示，将可调幅脉冲产生电路的工作过程分为4个部分，分别为0到t₁，t₁到t₂，t₂到t₃，t₃到t₄。假设在t=0时刻RRAM₁处于最高阻态，所以不用对其进行阻值调节操作。在t₁、t₂、t₃时刻，让RRAM阻值调节电路工作从而完成对RRAM₁的阻值的改变。在中间的4个时间段中完成对所需要的调幅脉冲的输出。

积分器的输出结果V_out1如图3所示，输入方波经过积分器之后产生了具有4种不同幅度的三角波脉冲。

在t=0时刻，RRAM₁处于最高阻态，此时保持RRAM₁的阻值不变。将V_c1、V_cs1和V_crs1都接低电平，RRAM₁的阻值调节电路不工作。输入信号V_in直接输入积分器进行积分输出，此时RRAM₁作为逻辑电阻应用于积分器之中，从而得到V_in的积分输出结果，即图3中0到t₁时刻的三角波脉冲。

在t=t₁时刻，由于需要对输出的三角波脉冲幅度进行调节，所以需要调节RRAM₁的阻值。将RRAM₁调节电路的V_c1和V_cs1接高电平且将V_crs1接低电平，此时对RRAM₁进行Set操作，RRAM₁的阻值由最高阻态变成了次高阻态。对RRAM₁的阻值调节完成之后，将V_c1、V_cs1和V_crs1都接低电平，此时RRAM₁的调节电路不工作，对输入信号V_in进行积分操作。此时RRAM₁的阻值变成了次高阻态，由上面的公式可以得出，积分器的输出结果将增大，即图3中t₁到t₂的三角波脉冲的幅度增加。

在t=t₂时刻，再次调节RRAM₁的阻值，让RRAM₁阻值调节电路进行工作。将RRAM₁调节电路的V_c1和V_cs1接高电平且将V_crs1接低电平，此时对RRAM₁进行Set操作。RRAM₁的阻值由次高阻态变成了次低阻态，即比最低阻态稍高的第三个电阻态。完成了对RRAM₁的阻值调节之后，将V_c1、V_cs1和V_crs1都接低电平，此时RRAM₁的调节电路不工作，对输入信号V_in进行积分操作。由于RRAM₁的阻值变成了次低阻态，由上面的公式得出，积分器的输出结果将再次增加，即图3中t₂到t₃的三角波脉冲的幅度相对于前面的脉冲幅度有所增加。

在t=t₃时刻，再次使RRAM₁的阻值调节电路进行工作。将RRAM₁调节电路的V_c1和V_cs1接高电平且将V_crs1接低电平，此时对RRAM₁进行Set操作。RRAM₁的阻值由次低阻态变成了最低阻态，即第四个电阻态。当完成对RRAM₁的阻值改变之后，将V_c1、V_cs1和V_crs1都接低电平，此时RRAM₁的调节电路不工作，对输入信号V_in进行积分。由于RRAM₁的阻值达到了最低值，积分器的输出结果将达到最大值，即图3中t₃到t₄时间段三角波脉冲的幅度相对于前面脉冲的幅度值有所增加。

在前面对积分器工作方式的分析之中，得到了积分器的输出结果。下面将对微分器的输出结果，即整个可调幅脉冲产生电路的结果进行分析，微分器的输出结果如图4所示，最终得到4个幅度不同的方波。

由于在本次分析中只考虑了RRAM₂处于最高阻态的情况，所以RRAM₂的阻值控制电路一直不工作，V_c2、V_cs2和V_crs2都一直接低电平，输入信号V_out1直接进行微分输出，得到最终的输出结果V_out。

如果同时考虑RRAM₂的阻值调节电路工作的情况，将得到具有16种幅度的方波脉冲。其中对RRAM₂的阻值调节电路进行操作的方式与RRAM₁的操作相同，当使RRAM₂的阻值调节电路进行工作时，将V_c2和V_cs2置为高电平且V_crs2为低电平时，对RRAM₂进行Set操作，RRAM₂的阻值降低；当V_c2和V_crs2为高电平且V_cs2为低电平时，对RRAM₂进行Reset操作，RRAM₂的阻值升高。当V_c2、V_cs2和V_crs2接低电平时，RRAM₂的控制电路不工作，输入信号V_out1直接进行微分输出，得到最后的结果V_out。

本电路RRAM阻值调节电路中的MOSFET不仅仅局限于NMOSFET，也可以为PMOSFET；

本电路中以方波为例对该电路的功能进行了说明，但是针对的输入信号不仅仅局限于方波信号，可以为任意形式的信号；

本电路中采用具有4种阻态的RRAM，但是本电路中的RRAM不仅仅局限于4种阻态的RRAM，可以包括所有种类的RRAM。

通过采用本发明所公开的一种基于RRAM的可调幅脉冲产生电路及调节其脉冲幅度的方法，利用阻变存储器RRAM多阻态的特点产生更多幅度可调的脉冲，还可以在任意时刻对产生脉冲的幅度进行修改。此外，通过利用RRAM器件作为逻辑器件从而获得了性能良好的可调幅脉冲产生电路，进一步拓宽了RRAM器件的应用领域。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限定，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于RRAM的可调幅脉冲产生电路，包括顺序连接的一个积分器和一个微分器，其特征在于，所述积分器中的输入电阻为一个带有阻值调节电路的第一RRAM，所述微分器中的反馈电阻为一个带有阻值调节电路的第二RRAM；

所述阻值调节电路包括：置位电压源、复位电压源、RRAM和三个金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET；所述RRAM为第一RRAM或第二RRAM，所述三个金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET包括第一MOSFET、第二MOSFET和第三MOSFET；

所述置位电压源连接第一MOSFET形成第一支路，所述复位电压源连接第二MOSFET形成第二支路，将所述第一支路和第二支路并联后与所述RRAM的第一端连接，所述RRAM的第二端与第三MOSFET连接后接地；

所述第一MOSFET连接第一控制电压源；第二MOSFET连接第二控制电压源；第三MOSFET连接第三控制电压源。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述三个MOSFET为N型MOSFET。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述三个MOSFET为P型MOSFET。

4.一种调节权利要求1-3中任一权利要求所述的电路产生的脉冲幅度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

改变所述调节电路的第一控制电压源、第二控制电压源和/或第三控制电压源的电压。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述改变所述调节电路的第一控制电压源、第二控制电压源和/或第三控制电压源的电压，包括将第一控制电压源、第二控制电压源和/或第三控制电压源的电压设置为高电平或低电平。