CN104916312B - 一种基于运算放大器的忆阻器编程电路及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于运算放大器的忆阻器编程电路及其操作方法，编程电路包括：阻变元件、运算放大器、脉冲开关、第一电阻；运算放大器的反相输入端作为编程电路的输入端，同时连接阻变元件的一端；阻变元件的另一端连接脉冲开关的一端，同时连接第一电阻的一端；第一电阻的另一端作为编程电路的输出端，同时连接运算放大器的输出端；脉冲开关的另一端作为脉冲输入端；运算放大器的同相输入端接地。本发明利用阻变元件的阈值电压性质，通过改变阻变元件的阻值来改变电路的性能，可应用于多种现有所述的阻变元件编程电路之中，并且使用器件数较少，操作简单，节省功耗和时间，提高电路工作效率。

Description

一种基于运算放大器的忆阻器编程电路及其操作方法

技术领域

本发明属于所述的忆阻器编程电路领域，更具体地，涉及一种基于运算放大器的忆阻器编程电路及其操作方法。

背景技术

忆阻器(Memristor)被认为是电阻、电容、电感外的第四种基本电路元件，能够记忆流经的电荷量，其电阻值能够通过控制电流变化而随之改变。忆阻器的高阻态和低阻态可以用来存储“0”和“1”，用于信息存储，具有非易失性、低功耗、高速、高集成度等优点。此外，忆阻器的阻值可以随外加电流与电压的积累而连续变化，因此，可以对忆阻器的阻值进行可编程操作。这样一种具有新颖可编程特性的电路基本元件，将对传统所述的忆阻器编程电路带来革新。

具有阈值电压是忆阻器的一个重要的性质，只有加在忆阻器两端的电压大于其阈值电压时，忆阻器的阻值才会改变。因此，若电路运行时电路中某电阻两端的电压低于忆阻器的阈值电压，就可以使用忆阻器代替该电阻，于是这个电阻所提供的电路参数便具有了可编程性。通过忆阻器编程电路为忆阻器两端提供高于其阈值电压的电压脉冲，就可以对忆阻器的阻值进行可编程操作，从而对电路的性能参数实行可编程控制。这样，引入具有阻值可编程特性及非易失性的忆阻器，能够有效的丰富和扩展传统可编程电路的功能和性能参数可调性。

中国发明专利《一种基于阻变忆阻器的电压保护电路及其应用》(申请号：201210119083.7，申请日：2012-04-20)所提出的设计，利用电路自身所产生的电压对置于电路中的忆阻器进行阻态调节，以此来反馈实现电路电压保护。但是它无法实现主动通过调控忆阻器的阻态来调控电路性能，且此种设计仅适用于电压保护等特定电路，无法作为通用模块应用于各类型可编程所述的忆阻器编程电路中。现阶段亟需开发一种基于忆阻器的可编程电路模块，以嵌入于放大电路、求差电路、求和电路、积分电路、微分电路等类型的所述的忆阻器编程电路中，充分利用忆阻器电阻的可编程特性，来实现电路功能的扩展、性能的提升以及电路参数的可调节性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用运算放大器的可以对忆阻器的阻值进行编程操作的可编程所述的忆阻器编程电路。

本发明提供了一种基于运算放大器的忆阻器编程电路，所述编程电路包括：阻变元件M、第一电阻R1、脉冲开关P和运算放大器；所述运算放大器的反相输入端作为所述忆阻器编程电路的输入端Vi，所述运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述忆阻器编程电路的输出端Vo；所述脉冲开关P的一端通过所述阻变元件M连接至所述运算放大器的反相输入端，所述脉冲开关P的另一端作为所述忆阻器编程电路的脉冲输入端pulse；所述第一电阻R1连接在所述脉冲开关P的一端与所述运算放大器的输出端之间。

更进一步地，工作时，所述脉冲输入端pulse接零电压，所述阻变元件M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间，通过给所述脉冲输入端pulse施加正向脉冲，使得所述阻变元件M的阻值正向改变；通过给所述脉冲输入端pulse施加负向脉冲，使得所述阻变元件M的阻值反向改变。

其中，所述脉冲开关P具有如下作用：脉冲输入端pulse接零电压时，使阻变元件M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间；通过给所述脉冲输入端pulse施加正向脉冲，使得所述阻变元件M的阻值正向改变；通过给所述脉冲输入端pulse施加负向脉冲，使得所述阻变元件M的阻值反向改变。

本发明还提供了一种基于运算放大器的忆阻器编程电路，所述忆阻器编程电路包括：阻变元件M、电路元件X、脉冲开关P和运算放大器；所述阻变元件M的一端作为所述忆阻器编程电路的输入端Vi，所述阻变元件M的另一端连接至所述运算放大器的反相输入端；所述运算放大器的正相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述忆阻器编程电路的输出端Vo；所述脉冲开关P的一端连接至所述阻变元件M的一端，所述脉冲开关P的另一端作为所述忆阻器编程电路的脉冲输入端pulse；所述电路元件X连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端之间。

更进一步地，工作时，所述脉冲输入端pulse接零电压，所述阻变元件M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间；通过给脉冲输入端施加正向脉冲使得所述阻变元件M的阻值改变；通过给所述脉冲输入端施加负向脉冲使得所述阻变元件M的阻值反向改变。

其中，所述脉冲开关P具有如下作用：脉冲输入端pulse接零电压时，使阻变元件M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间；通过给所述脉冲输入端施加正向脉冲，使得所述阻变元件M的阻值正向改变；通过给所述脉冲输入端施加负向脉冲，使得所述阻变元件M的阻值反向改变。

更进一步地，所述电路元件X为使运算放大器出现深度负反馈的任意电路元件。

作为本发明的一个实施例，所述阻变元件M可以为忆阻器；所述忆阻器的两端分别为正极与负极；正极是指从正极施加大于第一阈值电压Vt1的偏置会使忆阻器从高阻状态转变为低阻状态；负极是指从负极施加小于第二阈值电压Vt2的偏置会使忆阻器从低阻状态转变为高阻状态。

本发明还提供了一种基于上述的编程电路的操作方法，包括下述步骤：

S11：通过在所述编程电路的输入端Vi施加工作电压，且在脉冲输入端pulse接零电压，脉冲开关P关断，使得所述的忆阻器编程电路所述的忆阻器编程电路正常工作，输出端Vo正常输出；

所述工作电压是指使得所述阻变元件M两端的电压降在第二阻阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间的电压；

S12：通过给所述脉冲输入端pulse施加正向脉冲使得脉冲开关P导通，电流由脉冲输入端pulse经脉冲开关P流经阻变元件M后利用运算放大器深度负反馈的虚地特性流经到地；改变了所述阻变元件M的阻值，从而改变了所述的忆阻器编程电路的参数；

其中，当电流由阻变元件M的正极流向负极时，阻变元件M的阻值逐渐降低；当电流由阻变元件M的负极流向正极时，阻变元件M的阻值逐渐升高；

S13：通过给所述脉冲输入端pulse施加负向脉冲使得脉冲开关P导通，电流由地利用运算放大器深度负反馈的虚地特性流经阻变元件M，再流经脉冲开关P到脉冲输入端pulse；反向改变了阻变元件M的阻值，从而反向改变所述的忆阻器编程电路的参数；

其中，当电流由阻变元件M的正极流向负极时，阻变元件M的阻值逐渐降低；当电流由阻变元件M的负极流向正极时，阻变元件M的阻值逐渐升高。

本发明还提供了一种反相放大器，包括第一电阻R11、第二电阻R12、第三电阻R13、第一二极管D11、第二二极管D12、N型MOS管Q11、P型MOS管Q12、阻变元件M和运算放大器；所述第一电阻R11的一端作为所述反相放大器的输入端Vi；所述第一电阻R11的另一端连接所述阻变元件M的一端，所述阻变元件M的另一端连接至所述运算放大器的反相输入端；所述运算放大器的正相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述反相放大器的输出端Vo；所述第二电阻R12连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端Vo之间；所述N型MOS管Q11的栅极和所述P型MOS管Q12的栅极均接地，所述N型MOS管Q11的源极和所述P型MOS管Q12的源极连接后作为所述反相放大器的脉冲输入端pulse，所述N型MOS管Q11的漏极连接至所述第一二极管D11的负极，所述P型MOS管Q12的漏极连接至所述第二二极管D12的正极；所述第一二极管D11的正极和所述第二二极管D12的负极均连接至所述第一电阻R11的另一端；所述第三电阻R13连接在脉冲输入端pulse与地之间。

本发明还提供了一种反相放大器，包括第一电阻R21、第二电阻R22、第三电阻R23、阻变元件M、运算放大器、第一二极管D21、第二二极管D22、N型MOS管Q21和P型MOS管Q22；所述第一电阻R21的一端作为所述反相放大器的输入端Vi，所述第一电阻R21的另一端连接所述运算放大器的反相输入端；所述运算放大器的正相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述反相放大器的输出端Vo；所述阻变元件M的一端连接至所述运算放大器的反相输入端，所述阻变元件M的另一端通过所述第三电阻R23连接至所述运算放大器的输出端；所述P型MOS管Q22的栅极和所述N型MOS管Q21的栅极均接地，所述P型MOS管Q22的源极和所述N型MOS管Q21的源极连接后作为所述反相放大器脉冲输入端pulse，所述P型MOS管Q22的漏极连接至所述第二二极管D22的正极，所述N型MOS管Q21的漏极连接至所述第一二极管D21的负极；所述第二二极管D22的负极和所述第一二极管D21的正极均连接至所述阻变元件M的另一端；所述第二电阻R22连接在所述P型MOS管Q22的源极与地之间。

本发明还提供了一种积分电路，包括第一电阻R31、第二电阻R32、电容C31、第一二极管D31、第二二极管D32、N型MOS管Q31、P型MOS管Q32、阻变元件M和运算放大器；所述第一电阻R31的一端作为所述积分电路的输入端Vi；所述第一电阻R31的另一端连接所述阻变元件M的一端；所述阻变元件M的另一端连接至所述运算放大器的反相输入端；所述运算放大器的正相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述积分电路的输出端Vo；所述电容C31连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端Vo之间；所述N型MOS管Q31的栅极和所述P型MOS管Q32的栅极均接地，所述N型MOS管Q31的源极和所述P型MOS管Q32的源极连接后作为所述积分电路的脉冲输入端pulse，所述N型MOS管Q31的漏极连接至所述第一二极管D31的负极，所述P型MOS管Q32的漏极连接至所述第二二极管D32的负极；所述第一二极管D31的正极和所述第二二极管D32的负极均连接至所述第一电阻R31的另一端；所述第二电阻R32连接在所述N型MOS管Q31的源极与地之间。

本发明还提供了一种微分电路，包括第一电阻R41、第二电阻R42、电容C41、阻变元件M、运算放大器、第一二极管D41、第二二极管D42、N型MOS管Q41和P型MOS管Q42；所述电容C41的一端作为所述微分电路的输入端Vi，所述电容C41的另一端连接所述运算放大器的反相输入端；所述运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述微分电路的输出端Vo；所述阻变元件M的一端连接至所述运算放大器的反相输入端，所述阻变元件M的另一端通过所述第二电阻R42连接至所述运算放大器的输出端；P型MOS管Q42的栅极和N型MOS管Q41的栅极均接地，P型MOS管Q42的源极和N型MOS管Q41的源极连接后作为所述微分电路的脉冲输入端pulse，P型MOS管Q42的漏极连接至第二二极管D42的正极，N型MOS管Q41的漏极连接至第一二极管D41的负极；所述第一二极管D41的正极和所述第二二极管D42的负极均连接至所述阻变元件M的另一端；所述第一电阻R41连接在所述Q41的源极与地之间。

附图说明

图1为忆阻器的伏安特性曲线示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于运算放大器的忆阻器编程电路的技术方案一的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于运算放大器的忆阻器编程电路的技术方案二的电路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的应用运算放大器的忆阻器编程电路的操作流程示意图；

图5为本发明应用实施例一第一可编程反向放大器的电路结构示意图；

图6为本发明应用实施例一第一可编程反向放大器的阻变元件M的阻值变化示意图；

图7为本发明应用实施例一第一可编程反向放大器的输出波形示意图；

图8为本发明应用实施例二第二可编程反向放大器的电路结构示意图；

图9为本发明应用实施例二第二可编程反向放大器的阻变元件M的阻值变化示意图；

图10为本发明应用实施例二第二可编程反向放大器的输出波形示意图；

图11为本发明应用实施例三可编程积分电路的电路结构示意图；

图12为本发明应用实施例三可编程积分电路的输入波形示意图；

图13为本发明应用实施例三可编程积分电路的阻变元件M阻值变化示意图；

图14为本发明应用实施例三可编程积分电路的输出波形示意图；

图15为本发明应用实施例四可编程微分电路的电路结构示意图；

图16为本发明应用实施例四可编程微分电路的输入波形示意图；

图17为本发明应用实施例四可编程微分电路的阻变元件M阻值变化示意图；

图18为本发明应用实施例四可编程微分电路的输出波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于运算放大器的忆阻器编程电路及其操作方法，并发展其在传统所述的忆阻器编程电路中的应用。本发明提供的可编程所述的忆阻器编程电路具有两个外部电路相连端口和一个脉冲输入端口。其包括阻变元件M、第一电阻R1、脉冲开关P、运算放大器。其连接关系为：运算放大器的反相输入端作为编程电路的输入端Vi，同时连接阻变元件M的一端201；阻变元件M的另一端202连接脉冲开关P的一端203，同时连接第一电阻R1的一端205；第一电阻R1的另一端206作为编程电路的输出端Vo，同时连接运算放大器的输出端；脉冲开关P的另一端204作为脉冲输入端pulse；运算放大器的同相输入端接地。下面简称该方案为本发明的技术方案一。

其中，脉冲开关P具有如下作用：脉冲输入端pulse接零电压时，使阻变元件M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间；通过给脉冲输入端施加正向脉冲，使得阻变元件M的阻值正向改变；通过给脉冲输入端施加负向脉冲，使得阻变元件M的阻值反向改变。所有具有上述性质的元件或电路均可作为脉冲开关P。

在所述技术方案的电路连接中，阻变元件M的正极与负极均可作为阻变元件M的一端201与另一端202，不过施加同向脉冲后，阻变元件M阻值的变化方向相反。

阻变元件M的一种固有性质是具有第一阈值电压Vt1与第二阈值电压Vt2，当阻变元件M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间时，阻变元件M的阻值不发生改变；当阻变元件M两端的电压降大于第一阈值电压Vt1时，阻变元件M的阻值减小；当阻变元件M两端的电压降小于第二阈值电压Vt2时，阻变元件M的阻值增大。不同的阻变元件会对应不同的第一阈值电压Vt1或第二阈值电压Vt2，当阻变元件确定后，第一阈值电压Vt1和第二阈值电压Vt2也确定了。

本发明实施例还提供了一种基于运算放大器的忆阻器编程电路的操作方法，包括下述步骤：

S11：通过在所述编程电路的输入端口Vi施加工作电压，且在脉冲输入端pulse接零电压，脉冲开关P关断，使得所述的忆阻器编程电路正常工作，输出端口Vo正常输出。

S12：通过给脉冲输入端pulse施加正向脉冲使得脉冲开关P导通，电流由脉冲输入端pulse经脉冲开关P流经阻变元件M后应用运算放大器深度负反馈的虚地性质到地；改变了所述阻变元件M的阻值，从而改变了所述的忆阻器编程电路的参数。

S13：通过给脉冲输入端pulse施加负向脉冲使得脉冲开关P导通，电流由地应用运算放大器深度负反馈的虚地性质流经阻变元件M，再流经脉冲开关P到脉冲输入端pulse；反向改变了阻变元件M的阻值，从而反向改变所述的忆阻器编程电路的参数。

本发明提供了一种基于运算放大器的忆阻器编程电路及其操作方法，并发展其在传统所述的忆阻器编程电路中的应用。本发明提供的可编程所述的忆阻器编程电路具有两个外部电路相连端口和一个脉冲输入端口。其包括阻变元件M、电路元件X、脉冲开关P、运算放大器。其连接关系为：阻变元件M的一端301作为编程电路的输入端Vi，同时连接脉冲开关P的一端305；脉冲开关P的另一端306作为脉冲输入端pulse；阻变元件M的另一端302连接运算放大器的反相输入端，同时连接电路元件X的一端303；电路元件X的另一端304作为编程电路的输出端Vo，同时连接运算放大器的输出端；运算放大器的同相输入端接地。下面简称该方案为本发明的技术方案二。

其中，脉冲开关P具有如下作用：脉冲输入端pulse接零电压时，使阻变元件M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间；通过给脉冲输入端施加正向脉冲，使得阻变元件M的阻值正向改变；通过给脉冲输入端施加负向脉冲，使得阻变元件M的阻值反向改变。所有具有上述性质的元件或电路均可作为脉冲开关P。

其中，电路元件X为任意可以使运算放大器产生深度负反馈的电路元件。

在所述技术方案的电路连接中，阻变元件M的正极与负极均可作为阻变元件M的一端301与另一端302，不过施加同向脉冲后，阻变元件M阻值的变化方向相反。

其中，技术方案二与技术方案一的电路操作步骤相同。

在本发明的两种技术方案中，所述阻变元件为忆阻器，所述忆阻器的两端分别为正极与负极。所述的正极是指从正极施加大于第一阈值电压Vt1的偏置，会使阻变元件从高阻状态转变为低阻状态；所述的负极是指从负极极施加小于第二阈值电压Vt2的偏置，会使阻变元件从低阻状态转变为高阻状态。脉冲输入端输入的正向脉冲电压与负向脉冲电压使忆阻器两端的电压超过其阈值电压的偏置，从而改变忆阻器的阻值。

本发明提出的忆阻器编程电路可应用于多种具有运算放大器虚地结构的所述的忆阻器编程电路之中，利用运算放大器深度负反馈的虚地性质，结合阻变元件电压阈值的特性，通过正负脉冲改变阻变元件的阻值来调节电路的各项性能参数，并且使用电路元件数量较少，操作步骤简单，节省功耗和时间，提高电路工作效率。

针对现有技术的以上缺陷和现有发明的空白，本发明的目的在于提供一种可编程所述的忆阻器编程电路及其操作方法，并将此编程电路应用于现有的所述的忆阻器编程电路之中，从而改善所述的忆阻器编程电路的性能。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在介绍本发明的技术方案之前，首先介绍以忆阻器为代表的阻变器件的一些特性，图1为双极性忆阻器的伏安特性曲线示意图，从图1可以看出，当加在忆阻器两端的正向电压大于等于第一阈值电压Vt1时，忆阻器的阻值逐渐降低，当加在忆阻器的负向电压小于等于第二阈值电压Vt2时，忆阻器阻值逐渐升高。

其中，第一阈值电压Vt1与第二阈值电压Vt2是忆阻器的固有属性，当阻变元件M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间时，阻变元件M的阻值不发生改变；当阻变元件M两端的电压降大于第一阈值电压Vt1时，阻变元件M的阻值减小；当阻变元件M两端的电压降小于第二阈值电压Vt2时，阻变元件M的阻值增大。不同的阻变元件会对应不同的第一阈值电压Vt1或第二阈值电压Vt2，当阻变元件确定后，第一阈值电压Vt1和第二阈值电压Vt2也确定了。

基于上述忆阻器的特性，本发明中通过控制忆阻器两端的电压，达到控制忆阻器阻值的目的，通过忆阻器的阻值变化来改变所述的忆阻器编程电路的参数，从而改变所述的忆阻器编程电路的性能。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图2为本发明技术方案一提出的可编程逻辑电路的结构，为了便于图示，图2中的阻变器件以忆阻器为例标出，本领域技术人员可以理解，阻变器件还可以是磁随机存储器(包括自旋转移力矩磁阻存储器STT-MRAM、磁隧道结单元MTJ以及自旋阀等)、阻变存储器、相变存储器或者其他类型的可在高阻态和低阻态之中阻值连续可变的阻变器件，如图2所示，本发明实施例提供的可编程所述的忆阻器编程电路包括：阻变元件M、第一电阻R1、脉冲开关P、运算放大器。

其中，运算放大器的反相输入端作为编程电路的输入端Vi，同时连接阻变元件M的一端201；阻变元件M的另一端202连接脉冲开关P的一端203，同时连接第一电阻R1的一端205；第一电阻R1的另一端206作为编程电路的输出端Vo，同时连接运算放大器的输出端；脉冲开关P的另一端204作为脉冲输入端pulse；运算放大器的同相输入端接地。

其中，阻变元件M的正极与负极均可作为阻变元件M的一端201与另一端202，不过施加同向脉冲后，阻变元件M阻值的变化方向相反。为了便于图示和说明，图2中的忆阻器正极作为一端201。忆阻器负极作为一端201的结构同样在本专利的保护范围之内。

阻变元件的正极和负极是指当从正极施加足够大的正向偏置时，能使阻变元件阻值逐渐降低；当从负极施加足够大的正向偏置时，能使阻变元件阻值逐渐升高。

在这里需指出本实施例中，外部电路连接端所接受的外部激励必须使阻变元件两端的电压偏置在Vt2与Vt1之间，这样，在电路工作在正常状态下，阻变元件的阻值不会发生改变。

图3为本发明可编程所述的忆阻器编程电路技术方案二的电路结构示意图，为了便于图示，图4最终的阻变器件以忆阻器为例标出，本领域技术人员可以理解，阻变器件还可以是磁随机存储器(包括自旋转移力矩磁阻存储器STT-MRAM、磁隧道结单元MTJ以及自旋阀等)、阻变存储器、相变存储器或者其他类型的可在高阻态和低阻态之中阻值连续可变的阻变器件，如图4所示，本发明技术方案二提供的可编程所述的忆阻器编程电路包括：阻变元件M、电路元件X、脉冲开关P、运算放大器。

其中，阻变元件M的一端301作为编程电路的输入端Vi，同时连接脉冲开关P的一端305；脉冲开关P的另一端306作为脉冲输入端pulse；阻变元件M的另一端302连接运算放大器的反相输入端，同时连接电路元件X的一端303；电路元件X的另一端304作为编程电路的输出端Vo，同时连接运算放大器的输出端；运算放大器的同相输入端接地。

其中，阻变元件M的正极与负极均可作为阻变元件M的一端301与另一端302，不过施加同向脉冲后，阻变元件M阻值的变化方向相反。为了便于图示和说明，图3中的忆阻器正极与脉冲输出端相连。

阻变元件的正极和负极是指当从正极施加足够大的正向偏置时，能使阻变元件阻值逐渐降低；当从负极施加足够大的正向偏置时，能使阻变元件阻值逐渐升高。

在这里需指出本实施例中，外部电路连接端所接受的外部激励必须使阻变元件两端的电压偏置在Vt2与Vt1之间，这样，在电路工作在正常状态下，阻变元件的阻值不会发生改变。

图4所示为本发明可编程所述的忆阻器编程电路原始技术方案的操作流程，图3中所示的方法可应用于使用图2编程单元的任意一种所述的忆阻器编程电路，对于可编程单元的描述，请参考图2及相应的实施例的描述，在此不再赘述，本实施例的流程如下：

S11：通过在所述编程电路的输入端口Vi施加工作电压，且在脉冲输入端pulse接零电压，脉冲开关P关断，使得所述的忆阻器编程电路正常工作，输出端口Vo正常输出；

所述工作电压是指使得所述阻变元件M两端的电压降在第二阻阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间的电压；

S12：通过给脉冲输入端pulse施加正向脉冲使得脉冲开关P导通，电流由脉冲输入端pulse经脉冲开关P流经阻变元件M后应用运算放大器深度负反馈的虚地性质到地；改变了所述阻变元件M的阻值，从而改变了所述的忆阻器编程电路的参数；

其中，当电流由阻变元件M的正极流向负极，则阻变元件M的阻值逐渐降低；当电流由阻变元件M的负极流向正极，则阻变元件M的阻值逐渐升高；

S13：通过给脉冲输入端pulse施加负向脉冲使得脉冲开关P导通，电流由地应用运算放大器深度负反馈的虚地性质流经阻变元件M，再流经脉冲开关P到脉冲输入端pulse；反向改变了阻变元件M的阻值，从而反向改变所述的忆阻器编程电路的参数；

其中，当电流由阻变元件M的正极流向负极时，阻变元件M的阻值逐渐降低；当电流由阻变元件M的负极流向正极时，阻变元件M的阻值逐渐升高。

基于本发明中的电路结构与操作方法，本领域普通技术人员在没有做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。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图5为本发明应用实施例一第一可编程反向放大器的电路结构示意图，包括：第一电阻R11、第二电阻R12、第三电阻R13、第一二极管D11、第二二极管D12、N型MOS管Q11、P型MOS管Q12、阻变元件M和运算放大器。

其中，第一电阻R11的一端501作为可编程反相放大器的输入端Vi；第一电阻R11的另一端502连接阻变元件M的一端503，同时连接第一二极管D11的正极和第二二极管D12的负极；第一二极管D11的负极连接N型MOS管Q11的漏极；第二二极管D12的正极连接P型MOS管Q12的漏极；第三电阻R13的一端508作为脉冲输入端pulse，同时连接N型MOS管Q11的源极和P型MOS管Q12的源极；第三电阻R13的另一端507接地，同时连接N型MOS管Q11的栅极和P型MOS管Q12的栅极；阻变元件M的另一端504连接运算放大器的反相输入端，同时连接第二电阻R12的一端505；第二电阻R12的另一端506作为可编程反相放大器的输出端Vo，同时连接运算放大器的输出端；运算放大器的同相输入端接地。

其中，第三电阻R13、第一二极管D11、第二二极管D12、N型MOS管Q11、P型MOS管Q12组成脉冲开关P。当脉冲输入端pulse接零电压时，第一二极管D11、第二二极管D12、N型MOS管Q11、P型MOS管Q12均关断；当脉冲输入端pulse输入正向脉冲时，第二二极管D12、P型MOS管Q12导通，第一二极管D11、N型MOS管Q11关断，电流由脉冲输入端pulse流经P型MOS管Q12、第二二极管D12、阻变元件M，最后通过运算放大器虚地到地；当脉冲输入端pulse输入负向脉冲时，第一二极管D11、N型MOS管Q11导通，第二二极管D12、P型MOS管Q12关断，电流由运算放大器接地端流经阻变元件M、第一二极管D11、N型MOS管Q11到脉冲输入端pulse。其中，第三电阻R13的作用是为N型MOS管Q11、P型MOS管Q12的源极和栅极提供一个电压差。本专利应用实施例中的脉冲开关P均为上述电路，其工作原理在下文中不再赘述。

其中，P型MOS管衬底接高电平，后面电路中不再赘述。

其中，电路元件X具体为第二电阻R12。

电路操作流程参见图4所示，在此不再赘述。事实上，可编程反向放大器的输入电压Vi与输出电压Vo的关系满足：

其中，M为阻变元件M的阻值大小，R11为第一电阻R11的阻值大小，R12为第二电阻R12的阻值大小。R11取50kΩ为例，R12取100kΩ为例，其他R11与R12的取值均在本专利的保护范围之内。

图6为本发明应用实施例一第一可编程反向放大器的阻变元件M的阻值变化示意图。可以看到，在电路正常工作时，阻变元件M的阻值不变，当向脉冲输入端pulse施加负向脉冲时，阻变元件M的阻值由50kΩ增大到100kΩ；当向脉冲输入端pulse施加正向脉冲时，阻变元件M的阻值由100kΩ减小到10kΩ。其中，set操作是使阻变元件M阻值降低的操作，reset操作是使阻变元件M阻值升高的操作，下文中不再赘述。

图7为本发明应用实施例一第一可编程反向放大器的输出波形示意图。输入电压以0.5v直流为例，其他各类输入波形均在本专利保护范围之内。由图7可以看出，在输入电压不变的情况下，随着阻变元件M阻值的大小增大，可编程反向放大器的输出电压的大小增大；随着阻变元件M阻值的大小减小，可编程反向放大器的输出电压的大小减小。其中输出电压与阻变元件M阻值大小的关系满足式(1)。

图8为本发明应用实施例二第二可编程反向放大器的电路结构示意图，包括：第一电阻R21、第二电阻R22、第三电阻R23、阻变元件M、运算放大器、第一二极管D21、第二二极管D22、N型MOS管Q21、P型MOS管Q22。

其中，第一电阻R21的一端801作为可编程反相放大器的输入端Vi；第一电阻R21的另一端802连接运算放大器的反相输入端，同时连接阻变元件M的一端803；第三电阻R23的一端806作为可编程反相放大器的输出端Vo，同时连接运算放大器的输出端；第三电阻R23的另一端805连接阻变元件M的另一端804，同时连接第一二极管D21的正极和第二二极管D22的负极；第一二极管D21的负极连接N型MOS管Q21的漏极；第二二极管D22的正极连接P型MOS管Q22的漏极；第二电阻R22的一端807作为脉冲输入端pulse，同时连接N型MOS管Q21的源极和P型MOS管Q22的源极；第二电阻R22的另一端808接地，同时连接N型MOS管Q21的栅极和P型MOS管Q22的栅极；运算放大器的同相输入端接地。

其中，第二电阻R22、第一二极管D21、第二二极管D22、N型MOS管Q21、P型MOS管Q22组成脉冲开关P。

电路操作流程参见图4所示，在此不再赘述。事实上，可编程反向放大器的输入电压Vi与输出电压Vo的关系满足：

其中，M为阻变元件M的阻值大小，R21为第一电阻R21的阻值大小，R23为第三电阻R23的阻值大小。R21取50kΩ为例，R23取100kΩ为例，其他R21与R23的取值均在本专利的保护范围之内。

图9为本发明应用实施例二第二可编程反向放大器的阻变元件M的阻值变化示意图。可以看到，在电路正常工作时，阻变元件M的阻值不变，当向脉冲输入端pulse施加正向脉冲时，阻变元件M的阻值由50kΩ增大到100kΩ；当向脉冲输入端pulse施加负向脉冲时，阻变元件M的阻值由100kΩ减小到10kΩ。

图10为本发明应用实施例二第二可编程反向放大器的输出波形示意图。输入电压以0.5v直流为例，其他各类输入波形均在本专利保护范围之内。由图7可以看出，在输入电压不变的情况下，随着阻变元件M阻值的大小增大，可编程反向放大器的输出电压的大小增大；随着阻变元件M阻值的大小减小，可编程反向放大器的输出电压的大小减小。其中输出电压与阻变元件M阻值大小的关系满足式(2)

图11为本发明应用实施例三可编程积分电路的电路结构示意图，包括：第一电阻R31、第二电阻R32、电容C31、第一二极管D31、第二二极管D32、N型MOS管Q31、P型MOS管Q32、阻变元件M和运算放大器。

其中，第一电阻R31的一端1101作为可编程积分电路的输入端Vi；第一电阻R31的另一端1102连接阻变元件M的一端1103，同时连接第一二极管D31的正极和第二二极管D32的负极；第一二极管D31的负极连接N型MOS管Q31的漏极；第二二极管D32的正极连接P型MOS管Q32的漏极；第二电阻R32的一端1108作为脉冲输入端pulse，同时连接N型MOS管Q31的源极和P型MOS管Q32的源极；第二电阻R32的另一端1107接地，同时连接N型MOS管Q31的栅极和P型MOS管Q32的栅极；阻变元件M的另一端1104连接运算放大器的反相输入端，同时连接电容C31的一端1105；电容C31的另一端1106作为可编程积分电路的输出端Vo，同时连接运算放大器的输出端；运算放大器的同相输入端接地。

其中，第二电阻R32、第一二极管D31、第二二极管D32、N型MOS管Q31、P型MOS管Q32组成脉冲开关P。

其中，电路元件X具体为电容C31。

电路操作流程参见图4所示，在此不再赘述。事实上，可编程积分电路的输入电压Vi与输出电压Vo的关系满足：

其中，M为阻变元件M的阻值大小，R31为第一电阻R31的阻值大小，C31为电容C31的电容值值大小。R31取50kΩ为例，C31取200nf为例，其他R31与C31的取值均在本专利的保护范围之内。

图12为本发明应用实施例三可编程积分电路的输入波形示意图。由图12可以看到，输入电压波形为高低电平±0.5v，周期为400us的方波。可以知道，其他输入电压波形也在本专利的保护范围内。

图13为本发明应用实施例三可编程积分电路的阻变元件M阻值变化示意图。可以看到，在电路正常工作时，阻变元件M的阻值不变，当向脉冲输入端pulse施加负向脉冲时，阻变元件M的阻值由50kΩ增大到100kΩ；当向脉冲输入端pulse施加正向脉冲时，阻变元件M的阻值由100kΩ减小到10kΩ。

图14为本发明应用实施例三可编程积分电路的输出波形示意图。由图可知，方波经过可编程积分电路后被转换为同频率的三角波，在输入电压信号不变的前提下，通过改变阻变元件M的阻值来改变输出电压信号的幅值。由图12、图13与图14可以知道输入波形Vi的幅值大小、阻变元件M阻值的大小以及输出波形Vo幅值大小的关系满足式(3)。

其中，图14中出现的输出波形偏置的变化是由于电路运行过程中将脉冲输入端pulse输入的脉冲也进行了积分处理。

图15为本发明应用实施例四可编程微分电路的电路结构示意图。包括：第一电阻R41、第二电阻R42、电容C41、阻变元件M、运算放大器、第一二极管D41、第二二极管D42、N型MOS管Q41、P型MOS管Q42。

其中，电容C41的一端1501作为可编程微分电路的输入端Vi；电容C41的另一端1502连接运算放大器的反相输入端，同时连接阻变元件M的一端1503；第二电阻R42的一端1506作为可编程微分电路的输出端Vo，同时连接运算放大器的输出端；第二电阻R42的另一端1505连接阻变元件M的另一端1504，同时连接第一二极管D41的正极和第二二极管D42的负极；第一二极管D41的负极连接N型MOS管Q41的漏极；第二二极管D42的正极连接P型MOS管Q42的漏极；第一电阻R41的一端1507作为脉冲输入端pulse，同时连接N型MOS管Q41的源极和P型MOS管Q42的源极；第一电阻R41的另一端1508接地，同时连接N型MOS管Q41的栅极和P型MOS管Q42的栅极；运算放大器的同相输入端接地。

其中，第一电阻R41、第一二极管D41、第二二极管D42、N型MOS管Q41、P型MOS管Q42组成脉冲开关P。

电路操作流程参见图4所示，在此不再赘述。事实上，可编程微分电路的输入电压Vi与输出电压Vo的关系满足：

其中，M为阻变元件M的阻值大小，R42为第二电阻R42的阻值大小，C41为电容C41的电容值值大小。R42取80kΩ为例，C41取100nf为例，其他R42与C41的取值均在本专利的保护范围之内。

图16为本发明应用实施例四可编程微分电路的输入波形示意图。由图16可以看到输入电压波形为振幅3mv，频率为2000Hz的正弦波，其他输入电压波形也在本专利的保护范围之内。

图17为本发明应用实施例四可编程微分电路的阻变元件M阻值变化示意图。可以看到，在电路正常工作时，阻变元件M的阻值不变，当向脉冲输入端pulse施加正向脉冲时，阻变元件M的阻值由50kΩ增大到100kΩ；当向脉冲输入端pulse施加负向脉冲时，阻变元件M的阻值由100kΩ减小到10kΩ。

图18为本发明应用实施例四可编程微分电路的输出波形示意图。由图18可以看到，当输入正弦波时，可编程微分电路输出波形为负余弦波，输出波形的幅值随着阻变元件M阻值的增大/减小而增大/减小，且输入电压Vi、输出电压Vo和阻变元件M的阻值关系满足式(4)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于运算放大器的忆阻器编程电路，其特征在于，包括：阻变元件M、第一电阻R1、脉冲开关P和运算放大器；

所述运算放大器的反相输入端作为所述忆阻器编程电路的输入端Vi，所述运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述忆阻器编程电路的输出端Vo；

所述脉冲开关P的一端通过所述阻变元件M连接至所述运算放大器的反相输入端，所述脉冲开关P的另一端作为所述忆阻器编程电路的脉冲输入端pulse；

所述第一电阻R1连接在所述脉冲开关P的一端与所述运算放大器的输出端之间；

工作时，所述脉冲输入端pulse接零电压，所述阻变元件M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间，通过给所述脉冲输入端pulse施加正向脉冲，使得所述阻变元件M的阻值正向改变；通过给所述脉冲输入端pulse施加负向脉冲，使得所述阻变元件M的阻值反向改变。

2.一种基于运算放大器的忆阻器编程电路，其特征在于，包括：阻变元件M、电路元件X、脉冲开关P和运算放大器；

所述阻变元件M的一端作为所述忆阻器编程电路的输入端Vi，所述阻变元件M的另一端连接至所述运算放大器的反相输入端；

所述运算放大器的正相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述忆阻器编程电路的输出端Vo；

所述脉冲开关P的一端连接至所述阻变元件M的一端，所述脉冲开关P的另一端作为所述忆阻器编程电路的脉冲输入端pulse；

所述电路元件X连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端之间；

工作时，所述脉冲输入端pulse接零电压，所述阻变元件M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间；通过给脉冲输入端施加正向脉冲使得所述阻变元件M的阻值正向改变；通过给所述脉冲输入端施加负向脉冲使得所述阻变元件M的阻值反向改变。

3.如权利要求2所述的忆阻器编程电路，其特征在于，所述电路元件X为使运算放大器出现深度负反馈的电路元件或子电路。

4.如权利要求3所述的忆阻器编程电路，其特征在于，所述电路元件X为电阻或电容。

5.如权利要求1-4任一项所述的忆阻器编程电路，其特征在于，所述阻变元件M为忆阻器；所述忆阻器的正极是指从正极施加大于第一阈值电压Vt1的偏置会使忆阻器从高阻状态转变为低阻状态；所述忆阻器的负极是指从负极施加小于第二阈值电压Vt2的偏置会使忆阻器从低阻状态转变为高阻状态。

6.一种基于权利要求1或2所述的忆阻器编程电路的操作方法，其特征在于，包括下述步骤：

S11：通过在所述输入端Vi施加工作电压，同时使得所述脉冲输入端pulse接零电压，且脉冲开关P断开，使得所述的忆阻器编程电路正常工作，输出端口Vo正常输出；

所述工作电压是指使得所述阻变元件M两端的电压降在第二阻阈值电压Vt2与第一阈值电压Vt1之间的电压；

S12：通过给脉冲输入端pulse施加正向脉冲使得脉冲开关P导通，电流由脉冲输入端pulse经脉冲开关P流经阻变元件M后，再利用运算放大器深度负反馈的虚地特性流经到地；改变了所述阻变元件M的阻值，从而改变了所述的忆阻器编程电路的参数；

S13：通过给脉冲输入端pulse施加负向脉冲使得脉冲开关P导通，电流由地利用运算放大器深度负反馈的虚地特性流经阻变元件M，再流经脉冲开关P到脉冲输入端pulse；反向改变了阻变元件M的阻值，从而反向改变所述的忆阻器编程电路的参数；

其中，当电流由阻变元件M的正极流向负极时，则阻变元件M的阻值逐渐降低；当电流由阻变元件M的负极流向正极时，则阻变元件M的阻值逐渐升高。

7.一种反相放大器，其特征在于，包括第一电阻R11、第二电阻R12、第三电阻R13、第一二极管D11、第二二极管D12、N型MOS管Q11、P型MOS管Q12、阻变元件M和运算放大器；

所述第一电阻R11的一端作为所述反相放大器的输入端Vi；所述第一电阻R11的另一端连接所述阻变元件M的一端，所述阻变元件M的另一端连接至所述运算放大器的反相输入端；

所述运算放大器的正相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述反相放大器的输出端Vo；

所述第二电阻R12连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端Vo之间；

所述N型MOS管Q11的栅极和所述P型MOS管Q12的栅极均接地，所述N型MOS管Q11的源极和所述P型MOS管Q12的源极连接后作为所述反相放大器的脉冲输入端pulse，所述N型MOS管Q11的漏极连接至所述第一二极管D11的负极，所述P型MOS管Q12的漏极连接至所述第二二极管D12的正极；

所述第一二极管D11的正极和所述第二二极管D12的负极均连接至所述第一电阻R11的另一端；

所述第三电阻R13连接在脉冲输入端pulse与地之间。

8.一种反相放大器，其特征在于，包括第一电阻R21、第二电阻R22、第三电阻R23、阻变元件M、运算放大器、第一二极管D21、第二二极管D22、N型MOS管Q21和P型MOS管Q22；

所述第一电阻R21的一端作为所述反相放大器的输入端Vi，所述第一电阻R21的另一端连接所述运算放大器的反相输入端；

所述运算放大器的正相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述反相放大器的输出端Vo；

所述阻变元件M的一端连接至所述运算放大器的反相输入端，所述阻变元件M的另一端通过所述第三电阻R23连接至所述运算放大器的输出端；

所述P型MOS管Q22的栅极和所述N型MOS管Q21的栅极均接地，所述P型MOS管Q22的源极和所述N型MOS管Q21的源极连接后作为反相放大器脉冲输入端pulse，所述P型MOS管Q22的漏极连接至所述第二二极管D22的正极，所述N型MOS管Q21的漏极连接至所述第一二极管D21的负极；

所述第二二极管D22的负极和所述第一二极管D21的正极均连接至所述阻变元件M的另一端；

所述第二电阻R22连接在所述P型MOS管Q22的源极与地之间。

9.一种积分电路，其特征在于，包括第一电阻R31、第二电阻R32、电容C31、第一二极管D31、第二二极管D32、N型MOS管Q31、P型MOS管Q32、阻变元件M和运算放大器；

所述第一电阻R31的一端作为所述积分电路的输入端Vi；所述第一电阻R31的另一端连接所述阻变元件M的一端；

所述阻变元件M的另一端连接至所述运算放大器的反相输入端；

所述运算放大器的正相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述积分电路的输出端Vo；

所述电容C31连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端Vo之间；

所述N型MOS管Q31的栅极和所述P型MOS管Q32的栅极均接地，所述N型MOS管Q31的源极和所述P型MOS管Q32的源极连接后作为所述积分电路的脉冲输入端pulse，所述N型MOS管Q31的漏极连接至所述第一二极管D31的负极，所述P型MOS管Q32的漏极连接至所述第二二极管D32的正极；

所述第一二极管D31的正极和所述第二二极管D32的负极均连接至所述第一电阻R31的另一端；

所述第二电阻R32连接在所述N型MOS管Q31的源极与地之间。

10.一种微分电路，其特征在于，包括第一电阻R41、第二电阻R42、电容C41、阻变元件M、运算放大器、第一二极管D41、第二二极管D42、N型MOS管Q41和P型MOS管Q42；

所述电容C41的一端作为所述微分电路的输入端Vi，所述电容C41的另一端连接所述运算放大器的反相输入端；

所述运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端作为所述微分电路的输出端Vo；

所述阻变元件M的一端连接至所述运算放大器的反相输入端，所述阻变元件M的另一端通过所述第二电阻R42连接至所述运算放大器的输出端；

P型MOS管Q42的栅极和N型MOS管Q41的栅极均接地，P型MOS管Q42的源极和N型MOS管Q41的源极连接后作为所述微分电路的脉冲输入端pulse，P型MOS管Q42的漏极连接至第二二极管D42的正极，N型MOS管Q41的漏极连接至第一二极管D41的负极；

所述第一二极管D41的正极和所述第二二极管D42的负极均连接至所述阻变元件M的另一端；

所述第一电阻R41连接在所述Q41的源极与地之间。