KR20230071476A

KR20230071476A - Digital-analog converter based on energy-efficient resistance change element

Info

Publication number: KR20230071476A
Application number: KR1020210157718A
Authority: KR
Inventors: 최신현; 박시온
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2021-11-16
Filing date: 2021-11-16
Publication date: 2023-05-23

Abstract

The present invention relates to a new concept digital-to-analog converter based on an energy-efficient resistance change element. The digital-to-analog converter includes a memristor. Therefore, the digital-to-analog converter has excellent efficiency per area.

Description

New concept digital-analog converter based on energy-efficient resistance change element {Digital-analog converter based on energy-efficient resistance change element}

본 발명은 에너지 효율적인 저항 변화 소자 기반 신개념 디지털-아날로그 변환기에 관한 것이다. The present invention relates to a new concept digital-analog converter based on an energy-efficient resistive change element.

디지털-아날로그 변환회로(영어: DAC, digital-to-analog converter)는 D/A컨버터라 하며, 부호화된 디지털 전기 신호를 아날로그 전기 신호(전압, 전류 등)로 변환하는 전자 회로이다. ADC의 역방향 처리 과정이다.A digital-to-analog conversion circuit (English: DAC, digital-to-analog converter) is called a D/A converter and is an electronic circuit that converts coded digital electrical signals into analog electrical signals (voltage, current, etc.). This is the reverse processing of the ADC.

부호화 과정에서 정해진 비트수가 결정되어 있어 정밀도는 제한적이다. 제한된 정밀도를 갖는 아날로그 신호의 크기로 바꾸어 스텝 신호를 출력하면 필터회로를 사용하여 원래 신호에 가깝게 복원한다. ADC와 DAC는 주로 이진수로 표현되면 정해진 비트를 미리 결정한다. 비트수가 많으면 신호의 표현상 분해능이 높아져 정밀성이 높아지고 원래신호 복원에 유리하다. 그러나 처리회로가 복잡해진다. 전자산업의 발전과정 상 디지털화되면서 많은 부분에서 응용한다. 음악 플레이어는 처음에 아날로그 방식으로 처리되었지만, 디지털화 되면서 많은 유연성을 갖는 등 이점(저장, 통신, 변환 등)이 있어 보편화되었다.Since a fixed number of bits is determined in the encoding process, precision is limited. If the step signal is output by converting it to the size of an analog signal with limited precision, it is restored close to the original signal using a filter circuit. ADCs and DACs pre-determine a set bit when expressed in binary numbers. If the number of bits is large, the resolution of the signal representation increases, so the precision increases and it is advantageous to restore the original signal. However, the processing circuit becomes complicated. During the development process of the electronics industry, it is applied in many parts as it is digitized. Music players were initially processed in an analog way, but as they were digitized, they became common because of their advantages (storage, communication, conversion, etc.), such as having a lot of flexibility.

하지만, 에너지 소모가 크다는 문제 때문에 에너지 효율이 우수한 새로운 개념의 디지털-아날로그 변환기가 필요하다. However, due to the problem of high energy consumption, a digital-to-analog converter of a new concept with excellent energy efficiency is required.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 에너지 효율이 우수한 새로운 개념의 디지털-아날로그 변환기를 제공하는 것이다. Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a digital-to-analog converter of a new concept with excellent energy efficiency.

본 발명에 따른 디지털-아날로그 변환기는 멤리스터를 사용하여 에너지 효율과, 적은 소자 사용으로 면적당 효율이 우수하다. The digital-to-analog converter according to the present invention uses a memristor and has excellent energy efficiency and area efficiency by using a small number of devices.

도 1은 본 발명에 따른 멤리스터 기반 디지털-아날로그 변환기 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤리스터 기반 디지털-아날로그 변환의 테스트 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤리스터 기반 디지털-아날로그 변환기의 동작방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤리스터 디지털 인풋 인가 예시를 설명하는 도면이다.
도 5는 래더타입 DAC와 본 발명에 따른 멤리스터 기반 DAC 크기를 비교한 결과이다. 1 shows a memristor-based digital-to-analog converter structure according to the present invention.
2 is a test result of memristor-based digital-to-analog conversion according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an operating method of a memristor-based digital-to-analog converter according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an example of applying a memristor digital input according to an embodiment of the present invention.
5 is a result of comparing the size of a ladder-type DAC and a memristor-based DAC according to the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있다.Before explaining the present invention in detail, the terms or words used in this specification should not be construed unconditionally in a conventional or dictionary sense, and in order for the inventor of the present invention to explain his/her invention in the best way Concepts of various terms can be appropriately defined and used.

더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.Furthermore, it should be noted that these terms or words should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다.That is, the terms used in this specification are only used to describe preferred embodiments of the present invention, and are not intended to specifically limit the contents of the present invention.

이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.It should be noted that these terms are terms defined in consideration of various possibilities of the present invention.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있다.Also, in this specification, a singular expression may include a plurality of expressions unless the context clearly indicates otherwise.

또한, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.In addition, it should be noted that similarly, even if expressed in a plurality, it may include a singular meaning.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.Throughout this specification, when a component is described as "including" another component, it does not exclude any other component, but further includes any other component, unless otherwise stated. It can mean you can do it.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있다.Furthermore, when a component is described as "existing inside or connected to and installed" of another component, this component may be directly connected to or installed in contact with the other component.

또한, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있다.In addition, it may be installed at a certain distance, and in the case of being installed at a certain distance, a third component or means for fixing or connecting the corresponding component to another component may exist. .

한편, 상기 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.Meanwhile, it should be noted that the description of the third component or means may be omitted.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.On the other hand, when it is described that a certain element is "directly connected" to another element, or is "directly connected", it should be understood that no third element or means exists.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.Similarly, other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "directly between", or "adjacent to" and "directly adjacent to" have the same meaning. should be interpreted as

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용된다.In addition, in the present specification, terms such as "one side", "the other side", "one side", "the other side", "first", and "second" refer to one component with respect to another component. It is used to make it clearly distinguishable from the elements.

하지만, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.However, it should be noted that the meaning of a corresponding component is not limitedly used by such a term.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 한다.In addition, in this specification, terms related to positions such as “upper”, “lower”, “left”, “right”, etc., if used, are to be understood as indicating relative positions of corresponding components in the drawing.

또한, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니 된다.In addition, unless an absolute location is specified for these locations, these location-related terms should not be understood as referring to an absolute location.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미한다.Moreover, in the specification of the present invention, terms such as "... unit", "... unit", "module", and "device", if used, mean a unit capable of processing one or more functions or operations.

이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.It should be noted that this may be implemented in hardware or software, or a combination of hardware and software.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.In the drawings accompanying this specification, the size, position, coupling relationship, etc. of each component constituting the present invention is partially exaggerated, reduced, or omitted in order to sufficiently clearly convey the spirit of the present invention or for convenience of explanation. may be described, and therefore the proportions or scale may not be exact.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.In addition, in the following description of the present invention, a detailed description of a configuration that is determined to unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, for example, a known technology including the prior art, may be omitted.

도 1은 본 발명에 따른 멤리스터 기반 디지털-아날로그 변환기 구조를 나타낸다. 1 shows a memristor-based digital-to-analog converter structure according to the present invention.

도 1을 참조하면, 저항 변화 소자의 저항 값과 직렬연결된 저항 사이의 저항 분개가 일어나고, 분해된 전압 값이 증폭기 트랜지스터(Amplifier Transistor)는 다른 또 다른 버퍼 증폭기가 사용될 수 있다. Referring to FIG. 1 , resistance distribution between a resistance value of a resistive change element and a resistor connected in series occurs, and another buffer amplifier having a different amplifier transistor may be used for a voltage value resolved.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤리스터 기반 디지털-아날로그 변환의 테스트 결과이다. 2 is a test result of a memristor-based digital-to-analog conversion according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, Set pule 100번, Reset 100번 총 50번 반복하였고 이에 따라 일정한 저항 변화 특성을 보이는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be seen that Set pulse 100 times and Reset 100 times were repeated a total of 50 times, thereby exhibiting constant resistance change characteristics.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤리스터 기반 디지털-아날로그 변환기의 동작방법을 설명하는 도면이다. 3 is a diagram illustrating an operating method of a memristor-based digital-to-analog converter according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 디지털 값(왼쪽)을 멤리스터에 인가하고, 휘발성 소자의 경우 시간에 따라 점차 정보를 잃어버리므로 더 최근에 들어온 데이터의 영향을 더 강하게 받는다. 이에 반해, 비휘발성 소자는 정보가 유지되므로 각 디지털 인풋 사이에 약한 RESET 펄스 인가하여 정보를 점차 잃게 만들어 줘야한다. 따라서, 멤리스터의 저항 상태는 각 디지털 인풋 비트에 대해 오른쪽 그림과 같은 경향성을 보이며, 가장 오래 전에 들어온 비트 (LSB)는 가장 적은 영향을 주므로, 가장 적은 값을 가지게 되고, 가장 최근에 들어온 비트 (MSB)는 가장 큰 영향을 주므로 가장 큰 값을 가지게 된다.Referring to FIG. 3, a digital value (left) is applied to the memristor, and in the case of a volatile element, since information is gradually lost over time, it is more strongly influenced by more recent data. On the other hand, since information is maintained in non-volatile devices, a weak RESET pulse must be applied between each digital input to gradually lose information. Therefore, the resistance state of the memristor shows the tendency as shown in the figure on the right for each digital input bit, and the oldest bit (LSB) has the least effect, so it has the smallest value, MSB) has the greatest effect, so it has the largest value.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤리스터 디지털 인풋 인가 예시를 설명하는 도면이다. 4 is a diagram illustrating an example of applying a memristor digital input according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 도 3의 방법으로 디지털 인풋을 인가하는 경우, 멤리스터 저항 상태가 디지털 인풋의 크기가 달라지는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 4 , when a digital input is applied in the method of FIG. 3 , it can be seen that the memristor resistance state changes in size of the digital input.

도 5는 래더타입 DAC와 본 발명에 따른 멤리스터 기반 DAC 크기를 비교한 결과이다. 5 is a result of comparing the size of a ladder-type DAC and a memristor-based DAC according to the present invention.

도 5를 참조하면, 각 bit에서 온 값이 각각 다른 저항을 통해 op-amp로 들어오게 되며, 작은 bit일수록 더 큰 저항을 거치기 때문에 더 작은 전류를 흘리게 된다. 각 bit에서 온 전류 값이 op-amp를 통하여 전압으로 변환된다. 1R의 값을 가지는 저항의 크기를 A라고 하면, 4 bit DAC의 경우 총 15R이 사용되므로 15A가 사용되고, 더불어 크기와 에너지 소모량이 큰 op-amp가 사용된다. Standard 741 Op-amp의 경우 20개의 트랜지스터와 11개의 저항이 사용되며, 이를 매우 단순히 계산해도 총 46A의 면적이 사용된다. 실제로 저항은 소자 하나 수준의 면적보다 훨씬 많은 면적을 차지하며, 트랜지스터는 다양한 패턴이 필요하므로 면적 소모량이 굉장히 크다고 볼 수 있다. 이에 비해, 본 발명에 따른 DAC는 가장 작게 만들면 한 개의 소자(면적 A)와 3개의 트랜지스터, 한 개의 저항으로 구성이 가능하므로 에너지, 면적 면에서 효율이 뛰어나다. Referring to FIG. 5, values from each bit come into the op-amp through different resistors, and smaller bits pass through larger resistors, so smaller current flows. The current value from each bit is converted into a voltage through an op-amp. If the size of a resistor with a value of 1R is A, in the case of a 4-bit DAC, a total of 15R is used, so 15A is used, and an op-amp with a large size and energy consumption is used. In the case of the Standard 741 Op-amp, 20 transistors and 11 resistors are used, and even if calculated very simply, a total area of 46A is used. In fact, resistors occupy a much larger area than the area of one device, and transistors require a variety of patterns, so area consumption is very large. In comparison, the DAC according to the present invention can be configured with one element (area A), three transistors, and one resistor when made in the smallest size, and thus has excellent efficiency in terms of energy and area.

Claims

A digital-to-analog converter containing memristors.