專利名稱：基于負(fù)反饋思想的憶阻器阻值狀態(tài)控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)及電子信息技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種憶阻器阻值狀態(tài)控制電路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
能效水平是困擾當(dāng)今嵌入式設(shè)備應(yīng)用的關(guān)鍵所在。一方面，隨著人們對(duì)應(yīng)用要求的不斷增加，越來越多復(fù)雜的算法被提出，所需的計(jì)算能力爆炸性增長(zhǎng)；另一方面，由于便攜性的要求，嵌入式系統(tǒng)僅能提供有限的能源供應(yīng)。于是，為了同時(shí)滿足便攜性與計(jì)算能力的要求，人們對(duì)嵌入式系統(tǒng)的能效水平提出了越來越高的要求。然而，當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)的能效水平已越來越難以滿足人們的需求，人們不得不將目光逐漸轉(zhuǎn)向新型非數(shù)字計(jì)算系統(tǒng)。數(shù)?；旌嫌?jì)算系統(tǒng)正是潛在的高能效解決方案之一，通過有效結(jié)合具有極高能效水平的模擬計(jì)算單元和具有成熟設(shè)計(jì)流程的數(shù)字系統(tǒng)，數(shù)模混合系統(tǒng)可以充分發(fā)揮數(shù)字與模擬兩種電子系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，大幅度提升系統(tǒng)的能效水平。遺憾的是，數(shù)?；旌舷到y(tǒng)的潛力尚未能得到良好的挖掘。其中問題主要來自于模擬電路，例如:模擬電路的數(shù)值運(yùn)算并不像數(shù)字系統(tǒng)那樣靈活，無法很好地完成許多復(fù)雜的代數(shù)運(yùn)算；模擬量尚沒有有效的存儲(chǔ)方法，而如果采用數(shù)字存儲(chǔ)+AD/DA的方案會(huì)增加大量額外的功耗開銷，會(huì)大大降低系統(tǒng)的能效收益等問題。幸運(yùn)的是，憶阻器的出現(xiàn)為模擬電路的上述問題提供了潛在的解決方法。憶阻器(Memristor)是由加州大學(xué)伯克利分校蔡少棠教授于1971年提出相關(guān)理論，并于2008年由惠普實(shí)驗(yàn)室首次物理實(shí)現(xiàn)的新型電路元件。由于其體積小，功耗低，特別是其阻值狀態(tài)會(huì)隨通過電流 而發(fā)生變化的特點(diǎn)吸引了人們極大的關(guān)注。憶阻器是解決模擬電路上述問題的潛在方法。例如，使用憶阻器構(gòu)造交叉陣列(Crossbar)，可以實(shí)現(xiàn)矩陣乘法進(jìn)而實(shí)現(xiàn)函數(shù)擬合，因此可以完成復(fù)雜的函數(shù)計(jì)算功能，極大地提高了模擬計(jì)算的靈活性。此外，由于憶阻器類似于電阻，通過設(shè)計(jì)憶阻器的阻值狀態(tài)與模擬量(如電流、電壓)間的映射關(guān)系，可以有效地實(shí)現(xiàn)模擬量的存儲(chǔ)，并可以將這種模擬存儲(chǔ)器作為基本單元方便地使用在幾乎所有的電路之中。雖然憶阻器具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是目前尚未出現(xiàn)較為理想的憶阻器的阻值控制方 案° Shin, S., et al.^Memristor applications for programmable analogICs."Nanotechnology, IEEE Transactions onlO, n0.2 (2011): 266-274.中提出了米用電壓脈沖來調(diào)整憶阻器阻值的方案，通過調(diào)整電壓脈沖的數(shù)量來將憶阻器阻值調(diào)整到不同狀態(tài)。雖然該方案原理簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但是其控制精度較差，一般僅能達(dá)到4 5bit。此外，Yi,ff., et al."Feedback write scheme for memristive switching devices."AppliedPhysics A:Materials Science&Processingl02, n0.4(2011):973-982.中提出了另一種電路結(jié)構(gòu)，其原理在于通過提供大量參考電阻，使憶阻器的阻值狀態(tài)盡量的去貼近這些參考電阻的阻值，因此極大的提高了控制精度，通常可以達(dá)到8 9bit以上的準(zhǔn)確度。然而，該方案所需的參考電阻數(shù)量也隨控制精度而指數(shù)提高，例如為達(dá)到8-bit的精度一般需要256個(gè)參考電阻，因此該方案的電路尺寸過大，難以有效集成?？偠灾壳吧形闯霈F(xiàn)一種較為理想的憶阻器阻值狀態(tài)控制方案與電路結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的目的在于提出一種控制精度好、電路尺寸小且組織控制速度高的憶阻器阻值狀態(tài)控制電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的憶阻 器阻值狀態(tài)控制電路結(jié)構(gòu)，包括:第一電流負(fù)反饋運(yùn)放0P1，用于進(jìn)行阻值控制；第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2，用于進(jìn)行電壓減法計(jì)算；正弦波發(fā)生器Vsin，用于提供所需輸入信號(hào)；包絡(luò)檢測(cè)單元，所述包絡(luò)檢測(cè)單元包括第一二極管D1和電容C，用于提取正弦電壓最大值；阻值狀態(tài)待調(diào)控的憶阻器M(t)，串聯(lián)于第一電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2負(fù)輸入端與第一電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2輸出端之間，其阻值最終狀態(tài)由輸入控制電壓Vin決定；第一電阻R1，串聯(lián)于正弦波發(fā)生器Vsin與憶阻器M(t)之間，形成電流負(fù)反饋，防止正弦波發(fā)生器短路；第二電阻R2,串聯(lián)于控制信號(hào)Vin與第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2正輸入端之間，與R3共同形成Vin分壓電路，同時(shí)防止Vin短路；第三電阻R3,使第二負(fù)反饋運(yùn)放0P2正輸入端經(jīng)R3接地，與R2共同形成Vin分壓電路；第四電阻R4,串聯(lián)于包絡(luò)檢測(cè)單元的D1的負(fù)極性端與第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2負(fù)輸入端之間，與R2、R3、R5共同組成模擬電壓減法器；以及第五電阻R5，第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2負(fù)輸入端與第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2輸出端之間，與民為、1 4共同組成模擬電壓減法器，其中第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻之間的阻值關(guān)系為R2=R4且R3=R5。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述第一電流負(fù)反饋運(yùn)放OPl的正輸入端接地或輸入電壓為O時(shí)，所述憶阻器的阻值狀態(tài)用通過所述第一電流負(fù)反饋運(yùn)放OPl的輸出電壓Vm表示，其值為:
權(quán)利要求
1.一種基于負(fù)反饋思想的憶阻器阻值狀態(tài)控制電路，其特征在于，包括: 第一電流負(fù)反饋運(yùn)放0P1，用于進(jìn)行阻值控制； 第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2，用于進(jìn)行電壓減法計(jì)算； 正弦波發(fā)生器Vsin，用于提供所需輸入信號(hào)； 包絡(luò)檢測(cè)單元，所述包絡(luò)檢測(cè)單元包括第一二極管D1和電容C，用于提取正弦電壓最大值； 阻值狀態(tài)待調(diào)控的憶阻器M(t)，串聯(lián)于第一電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2負(fù)輸入端與第一電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2輸出端之間，其阻值最終狀態(tài)由輸入控制電壓Vin決定； 第一電阻R1，串聯(lián)于正弦波發(fā)生器Vsin與憶阻器M(t)之間，形成電流負(fù)反饋，防止正弦波發(fā)生器短路； 第二電阻R2,串聯(lián)于控制信號(hào)Vin與第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2正輸入端之間，與R3共同形成Vin分壓電路，同時(shí)防止Vin短路； 第三電阻R3,使第二負(fù)反饋運(yùn)放0P2正輸入端經(jīng)R3接地，與R2共同形成Vin分壓電路；第四電阻R4,串聯(lián)于包絡(luò)檢測(cè)單元的D1的負(fù)極性端與第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2負(fù)輸入端之間，與R2、R3、R5共同組成模擬電壓減法器；以及 第五電阻R5，第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2負(fù)輸入端與第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2輸出端之間，與R2、R3、R4共同組成模擬電壓減法器， 其中第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻之間的阻值關(guān)系SR2=R4且&=1 5。
2.如權(quán)利要求1所述的基于負(fù)反饋思想的憶阻器阻值狀態(tài)控制電路，其特征在于，當(dāng)所述第一電流負(fù)反饋運(yùn)放OPl的正輸入端接地或輸入電壓為0時(shí)，所述憶阻器的阻值狀態(tài)用通過所述第一電流負(fù)反饋運(yùn)放OPl的輸出電壓Vm表示，其值為: vOP1(0 = -/, (0 M{,) = -^xvinCO。
3.如權(quán)利要求2所述的基于負(fù)反饋思想的憶阻器阻值狀態(tài)控制電路，其特征在于，輸入?yún)⒖茧妷簽檎倚⌒盘?hào)Vsin，所述輸入?yún)⒖茧妷河糜跍p小參考電壓對(duì)所述憶阻器阻值變化的影響。
4.如權(quán)利要求1所述的基于負(fù)反饋思想的憶阻器阻值狀態(tài)控制電路，其特征在于，由所述第一二極管D1及電容C組成的所述包絡(luò)檢測(cè)單元將所述第一負(fù)反饋運(yùn)放OPl輸出的正 M(t)弦f■號(hào)整流為直流電壓，其幅度為:Vc (0 - X Pl(max) (0 _ , ~ R一XX>in(max) Dluhj，其中％1(叫代表所述第一二極管D1的管壓降。
5.如權(quán)利要求1所述的基于負(fù)反饋思想的憶阻器阻值狀態(tài)控制電路，其特征在于，當(dāng)R2=R4且R3=R5時(shí)，所述第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2輸出的電壓Vtff2為所述包絡(luò)檢測(cè)單元輸出 w t 、 Il電壓與輸入電壓之差，其值為:VOP2(0 =。 4
6.如權(quán)利要求1所述的基于負(fù)反饋思想的憶阻器阻值狀態(tài)控制電路，其特征在于，所述第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2的輸出電壓反饋輸入到所述第一電流負(fù)反饋運(yùn)放OPl的正輸入端。
7.如權(quán)利要求6所述的基于負(fù)反饋思想的憶阻器阻值狀態(tài)控制電路，其特征在于，所述第二電流負(fù)反饋運(yùn)放0P2的輸出電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)所述憶阻器的阻值，反饋穩(wěn)定時(shí)，所述 憶阻器的最終阻值狀態(tài)Mfinal為
全文摘要
本發(fā)明提出了一種憶阻器阻值狀態(tài)控制電路結(jié)構(gòu)，包括第一電流負(fù)反饋運(yùn)放，用于進(jìn)行阻值控制；第二電流負(fù)反饋運(yùn)放，用于進(jìn)行電壓減法計(jì)算；正弦波發(fā)生器，用于提供所需輸入信號(hào)；包絡(luò)檢測(cè)單元，包括第一二極管和電容，用于提取正弦電壓最大值；阻值狀態(tài)待調(diào)控的憶阻器，串聯(lián)于第一電流負(fù)反饋運(yùn)放負(fù)輸入端與第一電流負(fù)反饋運(yùn)放輸出端之間，其阻值最終狀態(tài)由輸入控制電壓決定；以及第一電阻至第五電阻。本發(fā)明利用負(fù)反饋思想，提高了憶阻器阻值狀態(tài)的控制精度，并具有良好的電路尺寸與阻值控制速度。
文檔編號(hào)H03G3/20GK103199813SQ20131015334
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者李伯勛, 汪玉, 單羿, 楊華中 申請(qǐng)人:清華大學(xué)