基于负反馈思想的忆阻器阻值状态控制电路

摘要

本发明提出了一种忆阻器阻值状态控制电路结构，包括：第一电流负反馈运放，用于进行阻值控制；第二电流负反馈运放，用于进行电压减法计算；正弦波发生器，用于提供所需输入信号；包络检测单元，包括第一二极管和电容，用于提取正弦电压最大值；阻值状态待调控的忆阻器，串联于第一电流负反馈运放负输入端与第一电流负反馈运放输出端之间，其阻值最终状态由输入控制电压决定；以及第一电阻至第五电阻。本发明利用负反馈思想，提高了忆阻器阻值状态的控制精度，并具有良好的电路尺寸与阻值控制速度。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机及电子信息技术领域，特别涉及一种忆阻器阻值状态控制电路结构。

背景技术

能效水平是困扰当今嵌入式设备应用的关键所在。一方面，随着人们对应用要求的不断 增加，越来越多复杂的算法被提出，所需的计算能力爆炸性增长；另一方面，由于便携性的 要求，嵌入式系统仅能提供有限的能源供应。于是，为了同时满足便携性与计算能力的要求， 人们对嵌入式系统的能效水平提出了越来越高的要求。

然而，当今数字系统的能效水平已越来越难以满足人们的需求，人们不得不将目光逐渐 转向新型非数字计算系统。数模混合计算系统正是潜在的高能效解决方案之一，通过有效结 合具有极高能效水平的模拟计算单元和具有成熟设计流程的数字系统，数模混合系统可以充 分发挥数字与模拟两种电子系统的优点，大幅度提升系统的能效水平。

遗憾的是，数模混合系统的潜力尚未能得到良好的挖掘。其中问题主要来自于模拟电路， 例如：模拟电路的数值运算并不像数字系统那样灵活，无法很好地完成许多复杂的代数运算； 模拟量尚没有有效的存储方法，而如果采用数字存储+AD/DA的方案会增加大量额外的功耗 开销，会大大降低系统的能效收益等问题。幸运的是，忆阻器的出现为模拟电路的上述问题 提供了潜在的解决方法。

忆阻器（Memristor）是由加州大学伯克利分校蔡少棠教授于1971年提出相关理论，并 于2008年由惠普实验室首次物理实现的新型电路元件。由于其体积小，功耗低，特别是其 阻值状态会随通过电流而发生变化的特点吸引了人们极大的关注。

忆阻器是解决模拟电路上述问题的潜在方法。例如，使用忆阻器构造交叉阵列（Crossbar）， 可以实现矩阵乘法进而实现函数拟合，因此可以完成复杂的函数计算功能，极大地提高了模 拟计算的灵活性。此外，由于忆阻器类似于电阻，通过设计忆阻器的阻值状态与模拟量（如 电流、电压）间的映射关系，可以有效地实现模拟量的存储，并可以将这种模拟存储器作为 基本单元方便地使用在几乎所有的电路之中。

虽然忆阻器具有许多优点，但是目前尚未出现较为理想的忆阻器的阻值控制方案。Shin, S.,et al."Memristor applications for programmable analog ICs."Nanotechnology,IEEE  Transactions on10,no.2(2011):266-274.中提出了采用电压脉冲来调整忆阻器阻值的方案，通 过调整电压脉冲的数量来将忆阻器阻值调整到不同状态。虽然该方案原理简单易于实现，但 是其控制精度较差，一般仅能达到4～5bit。此外，Yi,W.,et al."Feedback write scheme for  memristive switching devices."Applied Physics A:Materials Science&Processing102,no.4 (2011):973-982.中提出了另一种电路结构，其原理在于通过提供大量参考电阻，使忆阻器的 阻值状态尽量的去贴近这些参考电阻的阻值，因此极大的提高了控制精度，通常可以达到 8～9bit以上的准确度。然而，该方案所需的参考电阻数量也随控制精度而指数提高，例如为 达到8-bit的精度一般需要256个参考电阻，因此该方案的电路尺寸过大，难以有效集成。 总而言之，目前尚未出现一种较为理想的忆阻器阻值状态控制方案与电路结构。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。 为此，本发明的目的在于提出一种控制精度好、电路尺寸小且组织控制速度高的忆阻器阻值 状态控制电路结构。

根据本发明实施例的忆阻器阻值状态控制电路结构，包括：第一电流负反馈运放 OP1，用于进行阻值控制；第二电流负反馈运放OP2，用于进行电压减法计算；正弦波 发生器V_sin，用于提供所需输入信号；包络检测单元，所述包络检测单元包括第一二极 管D₁和电容C，用于提取正弦电压最大值；阻值状态待调控的忆阻器M(t)，串联于第 一电流负反馈运放OP2负输入端与第一电流负反馈运放OP2输出端之间，其阻值最终 状态由输入控制电压V_in决定；第一电阻R₁，串联于正弦波发生器V_sin与忆阻器M(t)之 间，形成电流负反馈，防止正弦波发生器短路；第二电阻R₂，串联于控制信号V_in与第 二电流负反馈运放OP2正输入端之间，与R₃共同形成V_in分压电路，同时防止V_in短路； 第三电阻R₃，使第二负反馈运放OP2正输入端经R₃接地，与R₂共同形成V_in分压电路； 第四电阻R₄，串联于包络检测单元的D₁的负极性端与第二电流负反馈运放OP2负输入 端之间，与R₂、R₃、R₅共同组成模拟电压减法器；以及第五电阻R₅，第二电流负反馈 运放OP2负输入端与第二电流负反馈运放OP2输出端之间，与R₂、R₃、R₄共同组成模 拟电压减法器，其中第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻之间的阻值关系为R₂=R₄且R₃=R₅。

在本发明的一个实施例中，当所述第一电流负反馈运放OP1的正输入端接地或输入 电压为0时，所述忆阻器的阻值状态用通过所述第一电流负反馈运放OP1的输出电压 V_OP1表示，其值为：

$V_{\mathrm{OP}1}\left(t\right)=-I_{R_1}\left(t\right)·M\left(t\right)=-\frac{M\left(t\right)}{R_1}\times V_{\sin }\left(t\right).$

在本发明的一个实施例中，输入参考电压为正弦小信号V_sin，所述输入参考电压用 于减小参考电压对所述忆阻器阻值变化的影响。

在本发明的一个实施例中，由所述第一二极管D₁及电容C组成的所述包络检测单 元将所述第一负反馈运放OP1输出的正弦信号整流为直流电压，其幅度为： $V_C\left(t\right)=V_{\mathrm{OP}1\left(\max \right)}\left(t\right)-V_{D_{1\left(\mathrm{th}\right)}}=\frac{M\left(t\right)}{R_1}\times V_{\sin \left(\max \right)}-V_{D_{1\left(\mathrm{th}\right)}},$其中代表所述第一二极管D₁的管压降。

在本发明的一个实施例中，当R₂=R₄且R₃=R₅时，所述第二电流负反馈运放OP2 输出的电压V_OP2为所述包络检测单元输出电压与输入电压之差，其值为： $V_{\mathrm{OP}2}\left(t\right)=\frac{R_3}{R_4}\times (V_{\mathrm{in}}-V_C\left(t\right)).$

在本发明的一个实施例中，所述第二电流负反馈运放OP2的输出电压反馈输入到所 述第一电流负反馈运放OP1的正输入端。

在本发明的一个实施例中，所述第二电流负反馈运放OP2的输出电压负反馈调节所 述忆阻器的阻值，反馈稳定时，所述忆阻器的最终阻值状态M_final为： $M_{\mathrm{final}}=\frac{R_1}{V_{\sin \left(\max \right)}}\times (V_{\mathrm{in}}+V_{D_{1\left(\mathrm{th}\right)}}).$

本发明提出了一种针对忆阻器阻值状态控制的硬件电路结构，该电路结构利用负反馈思 想，提高了忆阻器阻值状态的控制精度，并具有良好的电路尺寸与阻值控制速度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显， 或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和 容易理解，其中：

图1为本发明实施例的忆阻器阻值状态控制电路结构图；

图2为本发明实施例在SPICE下的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或 类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的 实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚 度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺 时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便 于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特 定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者 隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含 地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非 另有明确具体的限定。

如图1所示，为本发明实施例的忆阻器阻值状态控制电路结构图。该基于负反馈的 思想的忆阻器阻值控制硬件电路主要包括一个第一电流负反馈运放OP1、一个第二电流 负反馈运放OP2、一个忆阻器、一个正弦波发生器V_sin、一个包络检测单元（由D₁与C 共同构成）。具体组成部分及连接关系为：

第一电流负反馈运放OP1，用于进行阻值控制；第二电流负反馈运放OP2，用于进 行电压减法计算；正弦波发生器V_sin，用于提供所需输入信号；包络检测单元，包络检 测单元包括第一二极管D₁和电容C，用于提取正弦电压最大值；阻值状态待调控的忆 阻器M(t)，串联于第一电流负反馈运放OP2负输入端与第一电流负反馈运放OP2输出 端之间，其阻值最终状态由输入控制电压V_in决定；第一电阻R₁，串联于正弦波发生器 V_sin与忆阻器M(t)之间，形成电流负反馈，防止正弦波发生器短路；第二电阻R₂，串联 于控制信号V_in与第二电流负反馈运放OP2正输入端之间，与R₃共同形成V_in分压电路， 同时防止V_in短路；第三电阻R₃，使第二负反馈运放OP2正输入端经R₃接地，与R₂共 同形成V_in分压电路；第四电阻R₄，串联于包络检测单元的D₁的负极性端与第二电流负 反馈运放OP2负输入端之间，与R₂、R₃、R₅共同组成模拟电压减法器；以及第五电阻 R₅，第二电流负反馈运放OP2负输入端与第二电流负反馈运放OP2输出端之间，与R₂、 R₃、R₄共同组成模拟电压减法器，其中第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻之间 的阻值关系为R₂=R₄且R₃=R₅。下面说明本发明的应用原理。

在本发明中，先假设第一电流负反馈运放OP1的正输入端输入电压/电路为0，则第 一电流负反馈运放的输出电压V_OP1为：

$V_{\mathrm{OP}1}\left(t\right)=-I_{R_1}\left(t\right)·M\left(t\right)=-\frac{M\left(t\right)}{R_1}\times V_{\sin }\left(t\right)$

由于输入参考电压为正弦小信号V_sin，工作频率较高，且正弦信号在一个周期内的 电压积分为0，所以忆阻器的阻值状态M(t)在输入正弦信号的一个周期内仅有微小的波 动，且每个周期结束时的变化量为0。

D₁及C组成包络检测单元，其输入为第一电流负反馈运放输出的正弦信号V_OP1(t)， 其输出为直流电压信号V_C(t)，幅度为该正弦信号的最大值减去二极管D₁的管压降V_D1(th)：

$V_C\left(t\right)=V_{\mathrm{OP}1\left(\max \right)}\left(t\right)-V_{D_{1\left(\mathrm{th}\right)}}=\frac{M\left(t\right)}{R_1}\times V_{\sin \left(\max \right)}-V_{D_{1\left(\mathrm{th}\right)}}$

该直流电压被输入到第二电流负反馈运放OP2的负输入端，第二电流负反馈运放 OP2正输入端的输入信号为忆阻器阻值控制电压V_in，当R₂=R₄且R₃=R₅时，第二电流 负反馈运放的输出的电压V_OP2(t)为包络检测单元输出电压与输入电压之差，其输入与输 出关系表达式为：

$V_{\mathrm{OP}2}\left(t\right)=\frac{R_3}{R_4}\times (V_{\mathrm{in}}-V_C\left(t\right))$

第二电流负反馈运放OP2的输出电压反馈输入到第一电流负反馈运放OP1的正输 入端，如果第二电流负反馈运放OP2的输出电压不为0，即V_C(t)≠V_in，则第一电流负反 馈运放OP1的正输入端会获得一个直流电压偏置信号。由于运放负反馈工作时的虚短条 件可知，该直流电压将同时被加在第一电流负反馈运放OP1的负输入端，这意味着忆阻 器两端不仅有一正弦电压，还有一直流偏置电压，其幅度等于第二电流负反馈运放OP2 的输出电压V_OP2。在该直流电压的作用下，忆阻器的阻值会发生改变，形成如下负反馈 链条：

当V_in>V_C(t)时:

同理，当V_in<V_C(t)时:

该负反馈将持续存在，直至V_OP2减小至0。此时，忆阻器最终的阻值状态M_final可 以表示为：

$M_{\mathrm{final}}=\frac{R_1}{V_{\sin \left(\max \right)}}\times (V_{\mathrm{in}}+V_{D_{1\left(\mathrm{th}\right)}})$

该关系说明该针对忆阻器阻值状态控制的硬件电路结构可以保证忆阻器组织状态 M_final与输入电压V_in间的线性关系。

通过本发明实施例的上述结构，用户只需要关注所需的忆阻器阻值状态，并根据线 性关系给出相应的输入控制电压V_in便可以精确地获得相应的忆阻器阻值状态。本发明 另外一个特点是，在保证组织状态控制准确性的同时，具有良好的忆器阻值状态调控速 度及电路尺寸，可以保证本发明的可用性。

为了能够对本发明有更清楚的理解，图2给出了SPICE下目标阻值分别为1kΩ、2.5kΩ、 3kΩ的仿真结果，实际训练结果与目标阻值吻合的很好。表1更为详细的给出了不同工作 频率下的组织状态控制误差测试结果，可以看出，通过提高V_sin的工作频率可以帮助提 高忆阻器阻值状态的控制精度，例如在2MHz工作模式下可以实现12-bit的控制精度。 仿真所采用的忆阻器参数由表2给出。

表1

表2

综上所述，利用本发明实施例提出的针对忆阻器阻值状态控制的硬件电路结构，可 以有效地提高忆阻器阻值状态的控制精度，使用者只需要关注所需的忆阻器阻值状态， 并根据线性关系给出相应的输入控制电压V_in便可以准确地获得相应的忆阻器阻值状态。 同时，本发明具有良好的忆阻器阻值状态调控速度及电路尺寸，可以保证本发明的可用 性。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一 个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部 分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的 顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被 本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含 于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的 是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或 多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下 在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。