CN111337811B - 一种忆阻器测试电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微电子器件的测试技术领域，涉及一种忆阻器测试电路。本发明的忆阻器测试电路，包括输入模块、限流模块、稳压模块、换向控制模块、测量模块、输出模块。输入模块为脉冲发生装置用于产生电压脉冲信号并控制ADC和DAC；稳压模块实现了电压的稳定，使得忆阻器一端的电压与输入电压相等；限流模块实现了脉冲测试过程中电流不超过限流电流；换向控制模块实现了忆阻器无需施加负电压的置位与复位过程；测量模块实现了电压测量，并用于对被测电压求差运算；输出模块由ADC作为输出模块实现了电压的采集和电路的控制。相比常规测试设备，本发明能够在测量模式和激励模式快速切换，能够输出连续短脉冲和自定义波形，避免了大型设备的使用。

Description

一种忆阻器测试电路
技术领域
本发明属于微电子器件的测试技术领域，涉及一种忆阻器测试电路。
背景技术
忆阻器是继电阻、电感、电容之外的第四种基本元器件，它的问世震惊了国际电子技术界。忆阻器是具有记忆功能的新型非线性电阻，其阻值能随电荷流经的方向和数量发生相应变化，从而记忆住每时每刻流经的电荷量。当不再有电荷流经时，阻值能保持不变。因此，忆阻器作为具有非线性动态阻变特性、高速、低功耗、高集成度、存储与计算融合功能的新型电子器件，研究其测试表征方法以及在触发器电路方面的应用对丰富现有电路、信息存储与逻辑计算及其融合、类脑功能器件等领域具有重大的意义。
忆阻器器件常规测试装置包括主控计算机、探针台、高速脉冲发生器、低频信号发生器、源测量单元、数字实时示波器、接口电路板和连接件等。忆阻器测试主要针对其直流特性、脉冲特性与交流特性，分析器件在相应的直流、脉冲与交流作用下的忆阻特性。首先进行直流I-V特性测试，并根据测试结果判断待测器件是否具有忆阻特性。若无忆阻特性，则更换器件或改进待测器件性能后继续测试；若有忆阻特性，则进行下一步脉冲特性测试，研究忆阻器在一系列不同大小、不同形式的脉冲作用下的响应情况。根据脉冲特性测试结果来判断是否进行下一步的交流特性测试，通过交流测试研究器件在交流激励信号作用下的特性。
然而，目前并没有针对忆阻器测试方法的统一规范标准和专用的标准测试系统，常用爱德万V93K、泰克4200等设备进行测试，但这些设备操作复杂且针对性较差，无法达到忆阻器快速测试的需求。且4200等仪器专注于直流交流特性的测量，测试脉冲信号，尤其是短脉冲信号时操作较为繁琐，需要在测量模式和激励模式反复切换，无法实现自动化测试。因此，现有的忆阻器测试方法有待改进。
发明内容
为了解决现有测试方法的缺陷，本发明提供了一种忆阻器测试电路。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种忆阻器测试电路，如图1所示，包括输入模块、DAC、稳压模块、限流模块、换向控制模块、测量模块和ADC；其中，稳压模块用于实现了电压的稳定，且实现了忆阻器一端的电压与输入电压相等，限流模块用于使脉冲测试过程中电流不超过限流电流，有效防止器件被击穿，在跳变过程中保护器件并实现限流；换向控制模块用于使电路中不需要引入负电压值即可实现双极性忆阻器的复位和置位过程；输入模块为由FPGA或单片机等作为脉冲发生装置，用于设置DAC和ADC；最后由ADC作为电压的采集、输出、和电路的控制的装置。
具体的电路结构为：
DAC的输出接稳压模块，稳压模块包括双极结型晶体管和第一放大器，第一放大器的反相输入端接DAC的输出，同相输入端接双极结型晶体管的发射极，第一放大器的输出端接双极结型晶体管的基极，双极结型晶体管的集电极接限流模块；其中双极结型晶体管的CE结吸收多余的电源电压保证稳压模块电压精确，放大器提供足够大的环路增益保证稳压模块的输出电压稳定；
限流模块包括第一电位器、第二电位器、第一开关、第二开关、第一晶体管和第二晶体管；第二开关的一端接双极结型晶体管的集电极，第二开关的另一端接第二电位器的一端，第二电位器的另一端接第二晶体管的集电极，第二晶体管的发射极接第一晶体管的发射极，第一晶体管的基极与集电极互连，第一晶体管的集电极接第一开关的一端，第一开关的另一端接第一电位器的一端，第一电位器的另一端接地；其中，第一电位器作用是调整所在支路电流，第一开关支路确定一个电流，第二开关支路镜像这个电流，理论上第二开关所在支路电流只能小于第一开关所在支路电流，从而达到限流；
电位器2作用把所在支路电流转化为电压便于ADC测量
所述换向控制模块为H桥电路，将H桥电路四个开关定义为第四开关、第五开关、第六开关和第七开关，其中第四开关与第五开关在于同一侧，第六开关和第七开关位于同一侧；第四开关的一端与第六开关的一端连接，第四开关与第六开关的连接点与双极结型晶体管的发射极连接，第四开关的另一端与第五开关的一端连接，第五开关的另一端接地；第六开关的另一端与第七开关的一端连接，第七开关的另一端接地；第四开关与第五开关的连接点接忆阻器的一端，第六开关与第七开关的连接点接忆阻器的另一端；当第四开关和第七开关导通时，忆阻器为置位过程，第五开关和第六开关导通时，忆阻器为复位过程；
测量模块包括第二放大器、第三放大器、第四放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；第二放大器的同相输入端接双极结型晶体管的集电极，第二放大器的反相输入端接其输出端，第二放大器的输出端通过第一电阻后接第四放大器的反相输入端；第三放大器的同相输入端接第二电位器的另一端，第三放大器的反相输入端接其输出端，第三放大器的输出端通过第二电阻后接第四放大器的同相输入端；第二电阻与第四放大器同相输入端的连接点通过第四电阻后接地；第四放大器的反相输入端通过第三电阻后接其输出端，第四放大器的输出端接ADC，ADC的输出为测试电路的输出。
上述测量电路是直接测量第二电位器上的电压从而测量流过忆阻器的电流。
本发明还提供通过测量稳压模块中晶体管的BE结电压，根据晶体管的特性推算出CE结电流即忆阻器电流，这种测量方法的好处是测量BE电压与电流是对数关系，电流测量范围很大，具体为：
测量模块包括第二放大器、第三放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；第一电阻的一端接双极结型晶体管的基极，第一电阻的另一端接第三放大器的反相输入端；第二放大器的同相输入端接双极结型晶体管的集电极，第二放大器的反相输入端接其输出端，第二放大器的输出端通过第二电阻后接第三放大器的同相输入端；第二电阻与第三放大器同相输入端的连接点通过第三电阻后接地；第三放大器的反相输入端通过第四电阻后接其输出端，第三放大器的输出端接ADC，ADC的输出为测试电路的输出。
本发明的有益效果为：
1.避免了keithely 4200等大型设备的使用，保证了电压信号的准确施加，提供了更便捷的操作性、更快速的测试方案；
2.忆阻器电阻测量范围较大；
3.无需施加负电压即可完成忆阻器置位与复位过程；
4.能够产生短脉冲，连续脉冲和任意形状的激励波形；
5.支持自动化测量；
6.具有扩展性；
7.成本低。
附图说明
图1是本发明的一种忆阻器测试电路的模块示意图；
图2是本发明的一种忆阻器测试电路的电路结构示意图；
图3是本发明的一种忆阻器测试电路中的测量模块电路结构示意图；
图4是本发明的一种忆阻器测试电路中的另一种测量模块电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图2所示，图2示出了一种具体电路结构说明采用本发明对忆阻器进行测试的过程。
其中稳压模块，由双极结型晶体管和运算放大器组成。晶体管的CE结吸收多余的电源电压保证稳压模块电压精确；运算放大器提供足够大的环路增益保证稳压模块的输出电压稳定。稳压模块内的运算放大器与双极结型晶体管组成一个负反馈电路，因为运放的正负输入端虚短，所以E点电压即忆阻器电压等于DAC输出电压。
VRRAM＝VDAC (1)
如图2所示的限流模块由两个晶体管和电位器组成，电位器1调整所在支路电流，S2支路镜像该电流，理论上S2所在支路电流只能小于S1所在支路电流，从而达到限流的目的。
所示换向控制模块，实现了忆阻器无需施加负电压的置位(set)与复位(reset)过程：当开关S4和S7导通时，电流从左向右流动，待测器件为set过程；当开关S5和S6导通时，电流从右向左流动，待测器件为reset过程。
为了提高待测器件阻值测量的准确度，采用两种测量方式分别测量高低阻值。如图3所示为测量模块。测量模块由缓冲电路和减法电路组成。缓冲电路避免了主电路抽取电流导致电流测量不准。两种测量模块分别如图3和图4所示。
如图2所示模拟减法器用来进行高阻档位测试，进行D点和C点的电压差值运算，测量电位器2上的电压从而测量电流IC，进而得到忆阻器电流IE。其中，当开关S1与S2断开时电路可用于测量电位器的阻值。
Figure GDA0002928869990000041
由上式(1)和(2)进而可得忆阻器阻值为：
Figure GDA0002928869990000042
如图4所示模拟减法器用来进行低阻档位测试，通过测量稳压模块中晶体管的BE结电压，根据晶体管的特性推算出CE结电流即忆阻器电流。由于BE电压与电流为以下对数关系，使得电流测量范围更大。
Figure GDA0002928869990000051
VBE＝VC-VE (5)
其中，IES为基极与集电极短路的发射电流，VT为热电压在温度为25℃下约为25mV。
由上式(1)和(4)进而可得忆阻器阻值为：
Figure GDA0002928869990000052
具体的，如图3和图4所示，为避免主电路抽取电流导致电流测量不准，加了缓冲电路，提高了测试的准确性。
以上电压的测量、减法电路的选择以及换向电路的控制均由ADC完成。需要说明的是，本发明中所述ADC与DAC接口方式包括但不限于i2c或spi串行接口方式。

Claims (2)

1.一种忆阻器测试电路，其特征在于，包括输入模块、DAC、稳压模块、限流模块、换向控制模块、测量模块和ADC；其中，
输入模块为脉冲发生装置，用于设置DAC和ADC；
DAC的输出接稳压模块，稳压模块包括双极结型晶体管和第一放大器，第一放大器的反相输入端接DAC的输出，同相输入端接双极结型晶体管的发射极，第一放大器的输出端接双极结型晶体管的基极，双极结型晶体管的集电极接限流模块；
限流模块包括第一电位器、第二电位器、第一开关、第二开关、第一晶体管和第二晶体管；第二开关的一端接双极结型晶体管的集电极，第二开关的另一端接第二电位器的一端，第二电位器的另一端接第二晶体管的集电极，第二晶体管的发射极接第一晶体管的发射极，第一晶体管的基极与集电极互连，第一晶体管的集电极接第一开关的一端，第一开关的另一端接第一电位器的一端，第一电位器的另一端接地；
所述换向控制模块为H桥电路，将H桥电路四个开关定义为第四开关、第五开关、第六开关和第七开关，其中第四开关与第五开关在于同一侧，第六开关和第七开关位于同一侧；第四开关的一端与第六开关的一端连接，第四开关与第六开关的连接点与双极结型晶体管的发射极连接，第四开关的另一端与第五开关的一端连接，第五开关的另一端接地；第六开关的另一端与第七开关的一端连接，第七开关的另一端接地；第四开关与第五开关的连接点接忆阻器的一端，第六开关与第七开关的连接点接忆阻器的另一端；当第四开关和第七开关导通时，忆阻器为置位过程，第五开关和第六开关导通时，忆阻器为复位过程；
所述测量模块包括第二放大器、第三放大器、第四放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；第二放大器的同相输入端接双极结型晶体管的集电极，第二放大器的反相输入端接其输出端，第二放大器的输出端通过第一电阻后接第四放大器的反相输入端；第三放大器的同相输入端接第二电位器的另一端，第三放大器的反相输入端接其输出端，第三放大器的输出端通过第二电阻后接第四放大器的同相输入端；第二电阻与第四放大器同相输入端的连接点通过第四电阻后接地；第四放大器的反相输入端通过第三电阻后接其输出端，第四放大器的输出端接ADC，ADC的输出为测试电路的输出。
2.一种忆阻器测试电路，其特征在于，包括输入模块、DAC、稳压模块、限流模块、换向控制模块、测量模块和ADC；其中，
输入模块为脉冲发生装置，用于设置DAC和ADC；
DAC的输出接稳压模块，稳压模块包括双极结型晶体管和第一放大器，第一放大器的反相输入端接DAC的输出，同相输入端接双极结型晶体管的发射极，第一放大器的输出端接双极结型晶体管的基极，双极结型晶体管的集电极接限流模块；
限流模块包括第一电位器、第二电位器、第一开关、第二开关、第一晶体管和第二晶体管；第二开关的一端接双极结型晶体管的集电极，第二开关的另一端接第二电位器的一端，第二电位器的另一端接第二晶体管的集电极，第二晶体管的发射极接第一晶体管的发射极，第一晶体管的基极与集电极互连，第一晶体管的集电极接第一开关的一端，第一电位器的另一端接地；
所述换向控制模块为H桥电路，将H桥电路四个开关定义为第四开关、第五开关、第六开关和第七开关，其中第四开关与第五开关在于同一侧，第六开关和第七开关位于同一侧；第四开关的一端与第六开关的一端连接，第四开关与第六开关的连接点与双极结型晶体管的发射极连接，第四开关的另一端与第五开关的一端连接，第五开关的另一端接地；第六开关的另一端与第七开关的一端连接，第七开关的另一端接地；第四开关与第五开关的连接点接忆阻器的一端，第六开关与第七开关的连接点接忆阻器的另一端；当第四开关和第七开关导通时，忆阻器为置位过程，第五开关和第六开关导通时，忆阻器为复位过程；
所述测量模块包括第二放大器、第三放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；第一电阻的一端接双极结型晶体管的基极，第一电阻的另一端接第三放大器的反相输入端；第二放大器的同相输入端接双极结型晶体管的集电极，第二放大器的反相输入端接其输出端，第二放大器的输出端通过第二电阻后接第三放大器的同相输入端；第二电阻与第三放大器同相输入端的连接点通过第三电阻后接地；第三放大器的反相输入端通过第四电阻后接其输出端，第三放大器的输出端接ADC，ADC的输出为测试电路的输出。
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