CN106920568A - 一种四值忆阻器的读写电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四值忆阻器的读写电路。本发明基于忆阻器具有阻值可连续变化的特性，实现了忆阻器存储2比特信息的功能。相较于传统的存储电路元件，忆阻器具有体积小、功耗低、集成读高、非易失性等优点，而将忆阻器存储的信息量由1比特提高到2比特，基于忆阻器的存储电路的存储密度可以提高一倍。所述读电路使用电压比较器以及译码器来完成信息读取，写电路依据反馈的思想来设计，能准确写入期望的信息。仿真结果表明，提出的读写电路可以准确地对忆阻器进行信息写入及信息读取。

Description

一种四值忆阻器的读写电路

技术领域

本发明涉及非易失性存储领域，特别是涉及一种基于忆阻器的多值读写电路。

背景技术

1971年，华裔科学家蔡少棠教授提出忆阻器的概念，由于该元件的电阻值能随着流经的电荷量的改变而改变，通俗来说，忆阻器能够记住流经它的电荷量，因此，蔡少棠教授将单词memory和resistor合并为memristor，作为忆阻器的英文名。在提出概念之后的三十几年里，学者们对忆阻器的研究进展的十分缓慢。

直到2008年，惠普实验室发现了一种纳米双端电阻开关水平阵列，并在《NATURE》杂志上发表论文，称已制备出世界上首个纳米尺寸的TiO₂忆阻器元件，并且通过实验证实了该器件的开关特性与蔡少棠教授所预测的忆阻器特性相一致，立即引起了众多学者和工程师们的浓厚兴趣。电气和电子工程师协会IEEE在其综述杂志《IEEE Spectrum》上评价忆阻器是“近25年最伟大的电子器件发明”，美国著名期刊《TIMES》杂志也对忆阻器给予了高度评价，称之为“2008年最佳发明之一”。忆阻器的发明可以和晶体管的发明相媲美，是电子信息技术领域发展史上的里程碑。纳米级尺寸的忆阻器使人们相信忆阻器是一种可能延续Moore定律的全新候选技术之一。

由于忆阻器具有体积小、集成度高、功耗低、非易失性等特点，所以更易在一个芯片上封装更多的忆阻器，忆阻器有可能能够取代晶体管从而续写摩尔定律。忆阻器的最重要的特性就是记忆功能，既可以使用逻辑状态表示忆阻器的阻值，又可以用忆阻器阻值的连续变化的特性来进行多值存储，所以忆阻器将成为理想的新型存储材料。

当前，关于忆阻器的高密度非易失性存储器的研究主要在忆阻器仅存储1个比特信息的基础上展开。关于忆阻器多值存储的研究还比较少，值得更多的人来投入到忆阻器多值存储的研究领域上来。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种四值忆阻器的读写电路，基于忆阻器具有阻值可连续变化的特性，将忆阻器作为四值存储器，存储2比特信息，通过设计相应的外围电路对该存储单元进行读写操作，为达此目的，本发明提供一种四值忆阻器的读写电路，包括忆阻器和对该存储单元进行读写操作的外围电路，其特征在于：所述忆阻器为四值存储器，通过等值划分，分为4个逻辑状态，用来存储2比特信息，所述忆阻器与负载电阻相串联，施加读取信号，通过读取负载电阻上的电压降，来获取忆阻器存储的信息，所述对该存储单元进行读写操作的外围电路包括四部分组成：第一部分为忆阻器阻值写入部分电路，由运算放大器OP₁、忆阻器M、电阻R和输入电压V_in组成；第二部分为阻抗隔离电路由电阻R₁、电阻R₂和运算放大器OP₂构成，其中两R₁与R₂阻值相等，构成电压跟随器，其输入电阻大，输出电阻小；第三部分为单相整流滤波电路，由二极管D、电阻R₃和电容C构成；第四部分为求差运算电路，由运算放大器OP₃、电阻R₄、电阻R₅和参考电压V_ref、分压电阻R₆、R₇构成的，所求差值反馈到第一部分的运算放大器OP₁的正向输入端。

本发明的进一步改进，忆阻器最终阻值的表达式为：

其中，|V_in|为输入电压的峰值，忆阻器最终的阻值由参考电压V_ref、输入电压V_in和运算放大器OP₁负向输入端电阻R共同决定，这样通过相应的参数即可进行对应四值忆阻器读写。

本发明的进一步改进，所述对该存储单元进行读写操作的外围电路还包括一片8线-3线优先编码器74HC148，将负载电阻上的电压与四个边界电压值进行比较，四个运放输出了对应的比较信号，将四个运放的输出信号连接74HC148的优先级最高的输入引脚，在74HC148的优先级最低的两个引脚上即可读出忆阻器所存储的2比特信息，本发明还包括一片8线-3线优先编码器74HC148用于读出忆阻器所存储的2比特信息。

本发明一种四值忆阻器的读写电路，主要运用反馈的思路提出，该电路由四部分组成：第一部分由运算放大器、忆阻器、电阻和输入电压源组成，为忆阻器阻值写入部分；第二部分由两个电阻和一个运算放大器构成，其中，两个电阻阻值相等，构成典型的电压跟随器，其输入电阻大，输出电阻小，起阻抗隔离的作用；第三部分是由二极管、电阻和电容构成的单相整流滤波电路。第四部分是由运算放大器、电阻和参考电压源构成的求差运算电路，所求差值反馈到第一部分的运算放大器的正向输入端。本发明通过给出了四值忆阻器读写电路的设计方案，使得忆阻器多值存储成为可能，提高了基于忆阻器的存储电路的存储密度。

附图说明

图1为忆阻器读取简单示意图；

图2为四值忆阻器存储信息定义；

图3为四值忆阻器读取电路设计图；

图4为四值忆阻器读取仿真结果；

(a)忆阻器阻值为4K；

(b)忆阻器阻值为8K；

(c)忆阻器阻值为12K；

(d)忆阻器阻值为16K；

图5为四值忆阻器阻值写入电路；

图6为四值忆阻器阻值写入仿真结果，V_ref＝4V，V_in＝5sin(1000t)V；

(a)忆阻器初始阻值为1K；

(b)忆阻器初始阻值为10K；

图7为四值忆阻器阻值写入仿真结果，R＝15KΩ，V_in＝10sin(1000t)V；

(a)忆阻器初始阻值为1K；

(b)忆阻器初始阻值为8K。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种四值忆阻器的读写电路，基于忆阻器具有阻值可连续变化的特性，将忆阻器作为四值存储器，存储2比特信息，通过设计相应的外围电路对该存储单元进行读写操作。

若图1中忆阻器电阻的最大值R_OFF＝16KΩ，最小值R_ON＝100Ω，负载电阻R_x为16KΩ时，则将忆阻器等间隔划分为4个区间后的示意图如图2所示。由图2可知，忆阻器由4个区间所构成，将所得的负载电阻R_x上的电压值与四个边界值0.5V_O、0.57092V_O、0.66528V_O和0.79701V_O进行比较，即可得到该忆阻器阻值M所处的区间。举例来说，当忆阻器的阻值M为12KΩ时，对应的负载电阻R_x上的电压值为0.57143V_O，将0.57143V_O与0.5V_O进行比较，得0.57143V_O大于0.5V_O；将0.57143V_O与0.57092V_O进行比较，得0.57143V_O大于0.57092V_O；将0.57143V_O与0.66528V_O进行比较，得0.57143V_O小于0.66528V_O。所以得到，忆阻器阻值M处于01区间之内。

由此，忆阻器阻值读取电路的总体电路图如图3所示，74HC148芯片中，为选通输入端，低电平有效，因此将接地。输入端输出端与选通输出端扩展输出端未使用，均悬空处理，为应得的输出电平端。

图4给出了忆阻器读取仿真结果，选取忆阻器阻值为4K、8K、12K、16K的四种情况，对应比特信息为00,01,10,11。仿真结果与实际情况相一致。

本发明采纳模拟电子技术中反馈的思想，提出了一种新的忆阻器阻值写入方式。依据反馈的思想，当忆阻器阻值大于设定的阻值时，输出端应返回一个负反馈，从而使忆阻器的阻值减小；当忆阻器阻值小于设定的阻值时，输出端应返回一个正反馈，进一步加速忆阻器阻值的增大。直至忆阻器与设定的值相等时，输出端不再返回反馈信号，电路达到稳定状态，忆阻器阻值保持不变。据此，给了图5所示的忆阻器阻值写入电路。

该写入电路由4部分组成：第一部分由运算放大器OP₁、忆阻器M、电阻R和输入电压V_in组成，为忆阻器阻值写入部分；第二部分由电阻R₁、电阻R₂和运算放大器OP₂构成，其中，R₁与R₂阻值相等，为典型的电压跟随器，其输入电阻大，输出电阻小，起阻抗隔离的作用；第三部分是由二极管D、电阻R₃和电容C构成的单相整流滤波电路。第四部分是由运算放大器OP₃、电阻R₄、电阻R₅和参考电压V_ref、分压电阻R₆、R₇构成的求差运算电路，所求差值反馈到运算放大器OP₁的正向输入端。

该忆阻器阻值写入电路的工作原理为：输入电源V_in的频率设置的比较高，由忆阻器的频率特性可知，输入电压V_in不会改变忆阻器的阻值。输入的交流信号经过电阻R₁、忆阻器M，在运算放大器OP₁的输出端形成一个交流电压信号V_OP1。信号V_OP1流经电压跟随器之后生成一个相同的交流电压信号V_OP2。交流电压信号V_OP2经过二极管D之后，在电阻R₃与电容C的上端产生一个直流电压信号V_C(t)。运算放大器OP₃的负向输入端的电压为根据运放的虚短特性，运算放大器OP₃的正向输入端的电压也为所以，运算放大器OP₃的输出端电压为：

令R₄＝R₅＝R₆＝R₇，则V_OP3(t)＝V_ref-V_C(t)。暂时将输入电压V_in视为短路，不考虑V_in对电路的影响。若V_ref>V_C(t)，则反馈电压为正，产生由运算放大器OP₁输出端流经忆阻器流向电阻R的电流，该电流使忆阻器阻值增大，从而使得电压V_OP1、V_OP2的幅值增大，V_C(t)变大；若V_ref<V_C(t)，则反馈电压为负，产生由电阻R流经忆阻器流向运算放大器OP₁输出端的电流，该电流使忆阻器阻值减小，从而使得电压V_OP1、V_OP2幅值变小，V_C(t)变小；当V_ref＝V_C(t)时，反馈电压为零，施加在忆阻器两端的只有高频的输入电压信号V_in，由于V_in不会改变忆阻器的阻值，所以，该电路进入稳态，忆阻器阻值保持不变。

当该忆阻器阻值写入电路进入稳态之后，反馈电压V_OP3(t)保持为零，所以V_OP1的表达式应为：

从而二极管D的正向输入端的交流电压为所以，电容C上的电压表达式为：

V_C＝|V_OP1|-V_Dth-ξ；

式中，|V_OP1|电压V_OP1的峰值电压，V_Dth为二极管D的正向导通电压(硅二极管一般为0.7V，锗二极管一般为0.3V)，ξ为一常数，代表其他的电压损耗，一般取值较小。由于稳态时V_ref＝V_C(t)，所以，|V_OP1|＝V_ref+V_Dth+ξ；

忆阻器最终阻值的表达式为：

其中，|V_in|为输入电压的峰值。从式中可以看出，忆阻器最终的阻值由参考电压V_ref、输入电压V_in和运算放大器OP₁负向输入端电阻R共同决定。因此，通过合理地设置该三个变量的取值，即可对忆阻器写入期望的信息。

由于忆阻器的最终阻值受参考电压V_ref、输入电压V_in和运算放大器OP₁负向输入端电阻R共同决定，所以，首先让V_ref、V_in取固定值，令V_ref＝4V，V_in＝5sin(1000t)V，可得：R＝3KΩ时，忆阻器最终阻值M≈3KΩ，可代表00状态；R＝5KΩ时，忆阻器最终阻值M≈5KΩ，可代表01状态；R＝10KΩ时，忆阻器最终阻值M≈9.6KΩ，可代表10状态；R＝13KΩ时，忆阻器最终阻值M≈12.4KΩ，可代表11状态。仿真结果如图6所示，结果正确。

同理，通过改变参考电压V_ref也可实现忆阻器4种阻值的写入操作。令R＝15KΩ，V_in＝10sin(1000t)V，可得：V_ref＝1V时，忆阻器最终阻值M≈2.7KΩ，可代表00状态；V_ref＝3V时，忆阻器最终阻值M≈5.7KΩ，可代表01状态；V_ref＝6V时，忆阻器最终阻值M≈10.2KΩ，可代表10状态；V_ref＝9V时，忆阻器最终阻值M≈14.7KΩ，可代表11状态。仿真结果如图7所示，结果正确。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种四值忆阻器的读写电路，包括忆阻器和对该存储单元进行读写操作的外围电路，其特征在于：所述忆阻器为四值存储器，通过等值划分，分为4个逻辑状态，用来存储2比特信息，所述忆阻器与负载电阻相串联，施加读取信号，通过读取负载电阻上的电压降，来获取忆阻器存储的信息，所述对该存储单元进行读写操作的外围电路包括四部分组成：第一部分为忆阻器阻值写入部分电路，由运算放大器OP₁、忆阻器M、电阻R和输入电压V_in组成；第二部分为阻抗隔离电路由电阻R₁、电阻R₂和运算放大器OP₂构成，其中两R₁与R₂阻值相等，构成电压跟随器，其输入电阻大，输出电阻小；第三部分为单相整流滤波电路，由二极管D、电阻R₃和电容C构成；第四部分为求差运算电路，由运算放大器OP₃、电阻R₄、电阻R₅和参考电压V_ref、分压电阻R₆、R₇构成的，所求差值反馈到第一部分的运算放大器OP₁的正向输入端。

2.根据权利要求1所述的一种四值忆阻器的读写电路，其特征在于：忆阻器最终阻值的表达式为：

$M=\frac{(V_{ref}+V_{Dth}+\mathrm{\&xi;})}{\left|V_{in}\right|}\&CenterDot;R;$

其中，|V_in|为输入电压的峰值，忆阻器最终的阻值由参考电压V_ref、输入电压V_in和运算放大器OP₁负向输入端电阻R共同决定。

3.根据权利要求1所述的一种四值忆阻器的读写电路，其特征在于：所述对该存储单元进行读写操作的外围电路还包括一片8线-3线优先编码器74HC148，将负载电阻上的电压与四个边界电压值进行比较，四个运放输出了对应的比较信号，将四个运放的输出信号连接74HC148的优先级最高的输入引脚，在74HC148的优先级最低的两个引脚上即可读出忆阻器所存储的2比特信息。