一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路及其实现方法

摘要

本发明涉及一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路及其实现方法。通过忆阻器（Memristor）与MOS管结合使用，使编程电压能够产生改变忆阻器阻值的稳定电流，发挥忆阻器阻值可变及非易失特性，达到可编程的效果。本发明成功地在SPICE软件中实现了忆阻器模型的搭建，利用该模型提出基于忆阻器的可编程电路，并针对整个电路进行了仿真验证。忆阻器和MOS管结合的可编程电路结构简单，管子数目较小，集成度高，有利于集成电路进一步向纳米级别的发展。

说明书

技术领域

本发明涉及可编程芯片领域，特别是一种基于Memristor/MOSFET 的可编程电路及其实现方法。

背景技术

可编程芯片在目前市场中应用十分广泛，它通过软硬件结合的方 式使得工程师们可以通过软件编程的方式改变芯片内部的电路结构， 从而实现调节电路输出频率、带宽、增益等功能。传统的可编程芯片 主要使用大量的MOSFET搭建复杂的电路系统，通过编程电压控制 MOSFET的开关从而实现编程的目的，比如MCU、CPLD、FPGA、DSP、 MPU。芯片成本与芯片面积息息相关，而传统的可编程芯片电路复杂、 面积巨大，造价很高，设计难度大。随着新型微电子器件的出现，利 用新器件和传统MOS器件结合研发高性能可编程电路成为目前微电 子技术发展的一个重要研究方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于Memristor/MOSFET的 可编程电路及其实现方法，电路结构简单，通过忆阻器与MOS管结合 使用，使编程电压能够产生改变忆阻器阻值的稳定电流，发挥忆阻器 阻值可变及非易失特性，达到可编程的效果。

本发明的电路采用以下方案实现：一种基于Memristor/MOSFET 的可编程电路，包括忆阻器阻值控制模块、忆阻器、系统电路；所述 忆阻器阻值控制模块包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS 管M3、第四NMOS管M4，所述第一NMOS管M1的栅极与所述第一NMOS 管M1的漏极、所述第二NMOS管M2的栅极相连并作为所述忆阻器阻 值控制模块的第一编程输入端口，所述第三NMOS管M3的栅极与所述 第四NMOS管M4的栅极、所述第四NMOS管M4的漏极相连并作为所述 忆阻器阻值控制模块的第二编程输入端口，所述第一NMOS管M1的源 极与所述第三NMOS管M3的漏极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块 的加阻值输出端口，所述第二NMOS管M2的漏极与所述第四NMOS管 M4的源极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的减阻值输出端口， 所述第二NMOS管M2的源极与所述第三NMOS管M3的源极均接地；所 述忆阻器阻值控制模块的第一编程输入端口与第二编程输入端口用 以接入编程电压，所述忆阻器阻值控制模块的加阻值输出端口与减阻 值输出端口分别与所述忆阻器的两端相连，所述忆阻器的两端分别连 接至所述系统电路的两个输入端口。

进一步地，所述第一NMOS管M1、第四NMOS管M4均采用二极管 连接方式。

本发明的方法采用以下方案实现：将输入编程电压输入所述忆阻 器阻值控制模块的第一编程输入端口以及第二编程输入端口，分别控 制第一NMOS管M1、第二NMOS管M2以及第三NMOS管M3、第四NMOS 管M4的关断与电流的流向，采用脉冲对所述忆阻器进行编程，其中 脉冲幅度、周期及占空比根据系统电路需求来调整。

进一步地，所述第一NMOS管M1与所述第四NMOS管M4采用二极 管连接方式，用以使第一NMOS管M1、第四NMOS管M4始终工作在饱 和区，其电流不随漏源电压改变而变化，其中电流值的计算采用下式：

$I_D=\frac{1}{2}{u}_n{C}_{ox}\frac{W}{L}{(V_{GS}-V_{TH})}^2;$

其中，I_D为NMOS管的漏极电流，u_n为电子迁移速率，C_ox为单位面积 氧化层电容，W为沟道宽度，L为沟道的长度，V_GS为NMOS管栅源极 之间的电压，V_TH为NMOS管的阈值电压。

进一步地，所述第一编程输入端与所述第二编程输入端输入的编 程电压V₁,V₂提供NMOS管的工作电压。

忆阻器作为新一代电子器件，以其可记忆电阻和纳米级别尺寸等 优点备受关注。忆阻器具有结构简单、同CMOS电路兼容性良好、可 集成性高、功耗低等优势，在高密度非易失性存储器、人工智能、图 像处理、逻辑运算、RFID、云计算、模拟神经元突触、控制系统、信 号处理等方面有巨大的应用潜能。其中忆阻器的模型如图1所示。

忆阻器某时刻的电阻与之前流过的电流有关，内部结构表现为掺 杂区和非掺杂区的比例决定其当前的阻值。用x表示掺杂区与非掺杂 区边界的位置，D表示氧化钛层的宽度；R_on与R_off为模型在开启状态 即氧化物全为TiO_2-n和关断状态即氧化物全为TiO₂时的电阻。忆阻器某 时刻掺杂区与非掺杂边界的位置x与流经的电流相关,同时x的值决 定了此刻的阻值，相关公式如下：

x(t)＝∫ki(t)f(x)dt，f(x)为窗函数；

R_mem(t)＝R_onx+R_off(1+x)

忆阻器的记忆性通过TiO₂与TiO_2-n之间的转换体现出来。在当电流 正向流过器件，氧原子在电压作用下由TiO_2-n层漂移至TiO₂层，使得一 定厚度的TiO₂变化为TiO_2-n。在这样的变化下，器件的导电性不断增强， 而器件的电阻随之减小。而当器件两端加上一负方向电压时，氧原子 在电压作用下由TiO₂漂移至TiO_2-n，一定厚度的TiO_2-n变化为TiO₂。由此 器件的导电性不断减弱，器件电阻也随之增大。此外，实验研究发现， 当忆阻器两端电压小于某一阈值电压时，杂质迁移速率很小甚至为0， 此时器件两端的电场不足以使杂质发生大规模迁移，忆阻器表现为线 性电阻；当忆阻器两端电压大于阈值电压时，电场随之不断增强，杂 质迁移速率开始呈指数增加，忆阻器阻值出现变化。这一现象如图2 所示，对忆阻器添加激励V(in)＝2sin(t)(V)，设置阈值电压Vt＝0.5V。 当|V(in)|＞Vt时，忆阻器将阻值随着流经的电流而变化。本发明基于这 一现象提出了一种基于忆阻器的可编程电路设计思路以及忆阻器阻 值控制电路。可编程电路系统由忆阻器阻值控制电路、忆阻器、系统 电路三部分组成，如图3所示。忆阻器阻值控制电路由4个NMOS管 组成，如图4所示。

较佳的，本发明提出的可编程电路是利用忆阻器阻值在编程电压 的控制下根据系统需求进行相应变化，从而达到控制系统输出参量的 可编程效果。在此基础上，本发明进一步提出的忆阻器阻值控制电路 是利用MOS管的开关特性以及二极管连接方式产生改变忆阻器阻值 的电流。本发明的忆阻器阻值控制电路采用4个NMOS管M1、M2、M3、 M4，V1、V2是编程输入端口，分别控制两个NMOS管的关断与电流的 流向。M1、M4采用二极管连接方式，二极管连接方式可使M1、M4始 终工作在饱和区，其电流不随漏源电压改变而变化，其电流值可根据 MOS管饱和区电流公式进行粗略计算，这种方法 可帮助量化忆阻器阻值的变化量。本发明采用的编程电压V1、V2同 时提供NMOS管工作电压，采用脉冲对忆阻器进行编程，脉冲幅度、 周期及占空比可根据系统电路需求来调整。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明利用忆阻器阻 值可变的特性，结合MOS电路特性，设计的电路达到了电压编程的目 的。本发明与传统的编程电路相比，只需使用4个NMOS管，电路结 构简单，想法新颖。本发明提出的编程电路可应用于对电阻敏感的系 统电路。若系统电路正常工作时施加到某电阻的电压低于忆阻器阈值 电压，且该电阻阻值直接关系到系统电路的输出频率、带宽、增益等 重要参量，则该电阻可用本发明提出的忆阻器编程电路替代，从而达 到系统输出参量可编程的效果。

附图说明

图1为忆阻器的模型图。

图2为忆阻器模型电压、电流、及阻值曲线。

图3为本发明的原理示意图。

图4为本发明的忆阻器阻值控制模块电路示意图。

图5为本发明实施例忆阻器阻值控制模块电路仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供了一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路，包 括忆阻器阻值控制模块、忆阻器、系统电路；所述忆阻器阻值控制模 块包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS 管M4，所述第一NMOS管M1的栅极与所述第一NMOS管M1的漏极、 所述第二NMOS管M2的栅极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的第 一编程输入端口，所述第三NMOS管M3的栅极与所述第四NMOS管M4 的栅极、所述第四NMOS管M4的漏极相连并作为所述忆阻器阻值控制 模块的第二编程输入端口，所述第一NMOS管M1的源极与所述第三 NMOS管M3的漏极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的加阻值输出 端口，所述第二NMOS管M2的漏极与所述第四NMOS管M4的源极相连 并作为所述忆阻器阻值控制模块的减阻值输出端口，所述第二NMOS 管M2的源极与所述第三NMOS管M3的源极均接地；所述忆阻器阻值 控制模块的第一编程输入端口与第二编程输入端口用以接入编程电 压，所述忆阻器阻值控制模块的加阻值输出端口与减阻值输出端口分 别与所述忆阻器的两端相连，所述忆阻器的两端分别连接至所述系统 电路的两个输入端口。

在本实施例中，所述第一NMOS管M1、第四NMOS管M4均采用二 极管连接方式。

本实施例还提供了一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路的 实现方法：将输入编程电压输入所述忆阻器阻值控制模块的第一编程 输入端口以及第二编程输入端口，分别控制第一NMOS管M1、第二NMOS 管M2以及第三NMOS管M3、第四NMOS管M4的关断与电流的流向， 采用脉冲对所述忆阻器进行编程，其中脉冲幅度、周期及占空比根据 系统电路需求来调整。

在本实施例中，所述第一NMOS管M1与所述第四NMOS管M4采用 二极管连接方式，用以使第一NMOS管M1、第四NMOS管M4始终工作 在饱和区，其电流不随漏源电压改变而变化，其中电流值的计算采用 下式：

$I_D=\frac{1}{2}{u}_n{C}_{ox}\frac{W}{L}{(V_{GS}-V_{TH})}^2;$

其中，I_D为NMOS管的漏极电流，u_n为电子迁移速率，C_ox为单位面积 氧化层电容，W为沟道宽度，L为沟道的长度，V_GS为NMOS管源柵极 之间的电压，V_TH为NMOS管的阈值电压。

在本实施例中，所述第一编程输入端与所述第二编程输入端输入 的编程电压V₁,V₂提供NMOS管的工作电压。

忆阻器作为新一代电子器件，以其可记忆电阻和纳米级别尺寸等 优点备受关注。忆阻器具有结构简单、同CMOS电路兼容性良好、可 集成性高、功耗低等优势，在高密度非易失性存储器、人工智能、图 像处理、逻辑运算、RFID、云计算、模拟神经元突触、控制系统、信 号处理等方面有巨大的应用潜能。其中忆阻器的模型如图1所示。

忆阻器某时刻的电阻与之前流过的电流有关，内部结构表现为掺 杂区和非掺杂区的比例决定其当前的阻值。用x表示掺杂区与非掺杂 区边界的位置，D表示氧化钛层的宽度；R_on与R_off为模型在开启状态 即氧化物全为TiO_2-n和关断状态即氧化物全为TiO₂时的电阻。忆阻器某 时刻掺杂区与非掺杂边界的位置x与流经的电流相关,同时x的值决 定了此刻的阻值，相关公式如下：

x(t)＝∫ki(t)f(x)dt，f(x)为窗函数；

R_mem(t)＝R_onx+R_off(1+x)

忆阻器的记忆性通过TiO₂与TiO_2-n之间的转换体现出来。在当电流 正向流过器件，氧原子在电压作用下由TiO_2-n层漂移至TiO₂层，使得一 定厚度的TiO₂变化为TiO_2-n。在这样的变化下，器件的导电性不断增强， 而器件的电阻随之减小。而当器件两端加上一负方向电压时，氧原子 在电压作用下由TiO₂漂移至TiO_2-n，一定厚度的TiO_2-n变化为TiO₂。由此 器件的导电性不断减弱，器件电阻也随之增大。此外，实验研究发现， 当忆阻器两端电压小于某一阈值电压时，杂质迁移速率很小甚至为0， 此时器件两端的电场不足以使杂质发生大规模迁移，忆阻器表现为线 性电阻；当忆阻器两端电压大于阈值电压时，电场随之不断增强，杂 质迁移速率开始呈指数增加，忆阻器阻值出现变化。这一现象如图2 所示，对忆阻器添加激励V(in)＝2sin(t)(V)，设置阈值电压Vt＝0.5V。 当|V(in)|＞Vt时，忆阻器将阻值随着流经的电流而变化。本发明基于这 一现象提出了一种基于忆阻器的可编程电路设计思路以及忆阻器阻 值控制电路。可编程电路系统由忆阻器阻值控制电路、忆阻器、系统 电路三部分组成，如图3所示。忆阻器阻值控制电路由4个NMOS管 组成，如图4所示。

较佳的，本发明提出的可编程电路是利用忆阻器阻值在编程电压 的控制下根据系统需求进行相应变化，从而达到控制系统输出参量的 可编程效果。在此基础上，本发明进一步提出的忆阻器阻值控制电路 是利用MOS管的开关特性以及二极管连接方式产生改变忆阻器阻值 的电流。本发明的忆阻器阻值控制电路采用4个NMOS管M1、M2、M3、 M4，V1、V2是编程输入端口，分别控制两个NMOS管的关断与电流的 流向。M1、M4采用二极管连接方式，二极管连接方式可使M1、M4始 终工作在饱和区，其电流不随漏源电压改变而变化，其电流值可根据 MOS管饱和区电流公式进行粗略计算，这种方法 可帮助量化忆阻器阻值的变化量。本发明采用的编程电压V1、V2同 时提供NMOS管工作电压，采用脉冲对忆阻器进行编程，脉冲幅度、 周期及占空比可根据系统电路需求来调整。

为了证明方案的可行性，在本实施例中，模拟了V_pp＝5V，T＝200ms 的脉冲对忆阻器阻值的改变情况，先后分别是六个周期的V(1)减小 忆阻器阻值的功能及六个周期的V(2)增大忆阻器阻值的功能。当 V(1)＝5V，V(2)＝0V时，M3、M4管关断。M1采用二极管连接方式，始 终满足V_DS＞V_GS-V_th，所以M1导通且工作在饱和区。M2管也导通，但 由于其漏端电压过小，故M2工作于线性电阻区，导通电流。所以， 编程电压V(1)产生的电流将正向流过忆阻器，忆阻器阻值减小； 同理，当V(2)＝5V，V(1)＝0V时，M1、M2管关断，M4管导通且工作于 饱和区，M3导通且工作于线性电阻区，编程电压V(2)产生的电流 将负向流过忆阻器，忆阻器阻值增大。图5中给出了编程电压V(1)、 V(2)改变忆阻器阻值的过程，中间Ix(U1:PLUS)是编程电压产生的改 变忆阻器阻值的电流，该电流即为MOS管饱和电流，趋于一个定值。

特别的，下表为编程时NMOS管工作状态：

下表为电路仿真器件参数：

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所 做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。