专利名称：面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路及方法
技术领域：
本发明涉及纳米电子学领域，特别涉及面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路及编程方法。
背景技术：
忆阻器是一种新型的纳米电子器件，被认为是与电阻、电容和电感并列的第四种基本电子元器件。在外界电压的作用下，忆阻器的电阻值可以在一定范围内变化，并在断电后保持电阻值不变。基于这种特性，在高密度存储器、可重构逻辑电路等重要领域，国际上目前已经提出了大量的研究成果，具有广泛的应用前景。忆阻器的多值存储特性是将其应用于高密度非易失性存储器以及人工神经网络电路等领域的关键。然而多值忆阻器的应用面临编程电路的精度和编程效率等方面的技术难点。理论上，当忆阻器的器件特性确定后，可以计算出对其进行多值编程所需的具体电路·条件，通过设定电压脉冲宽度即可完成对多值忆阻器的编程。然而脉冲宽度是根据事先确定的电路参数获得的，没有将忆阻器的器件参数存在的误差考虑在内，无法达到较高的编程精度。纳米交叉杆结构是一种忆阻器的集成电路结构，具有电路密度高、制备工艺简单等优势。纳米交叉杆结构是最早通过实验制备获得的忆阻器集成电路结构，也是目前设计和制备忆阻器电路的主要途径。为了将多值忆阻器应用于纳米交叉杆结构中，具有自适应功能的编程电路是一种可行的途径。自适应编程不需要提前设定编程脉冲的宽度，而是在编程过程中判断是否已经将忆阻器的电阻值编程到目标阻值，进而动态地调节编程脉冲的宽度，从而达到较高的编程精度。然而，已经提出的多值忆阻器的自适应编程电路无法满足纳米交叉杆结构的要求，编程效率也较低。已有的面向纳米交叉杆结构的忆阻器编程电路研究主要基于具有二值存储特性的忆阻器，无法直接应用到对多值忆阻器的编程上。目前，纳米交叉杆结构中多值忆阻器的编程问题尚无有效的解决办法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种适用于纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路，可以将纳米交叉杆中的忆阻器的电阻值根据需要在其变化范围内进行修改，具有自动调节编程电压脉冲宽度的特点，可以对一行忆阻器同时进行编程，既可以解决由于器件参数误差引起的忆阻器多值编程的精度问题，又可有效提高编程的效率，可广泛应用于多值存储器和硬件神经网络等领域。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是本发明面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路由纳米交叉杆和N个反馈控制单元组成。N为纳米交叉杆的纵向纳米线的条数，是正整数。N个反馈控制单元分别与纳米交叉杆的N条纵向纳米线相连。面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路的输入输出端口包括M个选通信号输入端口、一个擦除或保护电压输入端口、一个偏置电压输入端口、N个参考电压输入端口。M为纳米交叉杆的横向纳米线的条数。纳米交叉杆中包含M条横向纳米线、N条纵向纳米线及MXN个忆阻器，其中忆阻器选择有阈值效应的忆阻器，其正阈值电压为VP，负阈值电压为-Vn (阈值效应和正、负阈值电压的定义见Chris等人在2011年第10期第32卷《IEEE Electron Device Letters》上发表的“A Memristor Device Model”)。忆阻器的连接应使得当在与横向纳米线相连一端施加正电压且在与纵向纳米线相连一端施加负电压时忆阻器电阻值减小。第i条纵向纳米线的一端与第i个反馈控制单元的输出端相连，接收其输出的编程电压信号Vpikm, (i为正整数，且I < i < N)。每条横向纳米线的一端即是一个选通信号输入端口，选通信号输入端口从外部接收选通信号，用于选通纳米交叉杆中的一行忆阻器进行擦除或编程。对忆阻器进行编程时需要首先对忆阻器进行擦除操作，将其电阻值初始化为高阻值Rtw (Roff为忆阻器电阻值可以达到的最大值，忆阻器电阻值的变化范围为[Rw，Roff])，然后再通过编程操作将其电阻值编程到需要的目标阻值Rtak+ Ron ( Rtaih ( R<w。当进行擦除操作时，M条横向纳米线通过选通信号输入端口接收M个选通信号，其中一个选通信号为0V，表示选通与该横·向纳米线相连的一行忆阻器，其它选通信号为V。。，表示与该横向纳米线相连的一行忆阻器未被选通(V。。为正电压，且VP〈Vrc〈VP+VN)。这时，被选通的一行忆阻器的电阻值在编程电压信号Vpkm的作用下全部被擦除到高阻值Rtw，未被选通的忆阻器的电阻值不发生改变。当进行编程操作时，M条横向纳米线通过选通信号输入端口接收M个选通信号，其中一个选通信号为V。。，表示选通与该横向纳米线相连的一行忆阻器，其它选通信号为0V，表示与该横向纳米线相连的一行忆阻器未被选通。这时，被选通的一行忆阻器的电阻值分别在第i个编程电压信号Vpkm的作用下被编程到目标阻值RTAK_i。未被选通的忆阻器的电阻值不发生改变。每个反馈控制单元与纳米交叉杆的一条纵向纳米线相连，它通过擦除或保护电压输入端口接收擦除或保护电压信号，用于在对忆阻器进行擦除或编程时提供驱动或保护电压。通过偏置电压输入端口接收偏置电压信号，用于在对忆阻器进行擦除或编程时提供偏置电压。N个反馈控制单元共用一个擦除或保护电压信号Vpkt输入端和一个偏置电压信号Vblas输入端。每个反馈控制单元均有一个参考电压输入端口，通过参考电压输入端口接收参考电压信号，用于将被编程忆阻器编程到目标阻值。每个反馈控制单元由一个运算放大器、一个负反馈电阻、一个同向输入端电阻、一个电压比较器、一个PMOS晶体管及一个NMOS晶体管组成。NMOS晶体管的栅极即是偏置电压信号Vbus输入端，NMOS晶体管的漏极即是编程电压信号Vpkm输出端，与纵向纳米线相连，NMOS晶体管的源极与运算放大器的负向输入端相连。PMOS晶体管的栅极与电压比较器输出端相连，PMOS晶体管的源极是擦除或保护电压信号Vpkt输入端，PMOS晶体管的漏极与NMOS晶体管的漏极相连。负反馈电阻连接在运算放大器负向输入端和输出端之间，其阻值Rf=IVfVmaW其中Vmax为电压比较器输入信号的最大值。同向输入端电阻连接在运算放大器正向输入端和地之间，其阻值Rt=IW/(M+R_/Rf)。电压比较器的正向输入端接收运算放大器输出端输出的电压，负向输入端即是参考电压输入端口。采用本发明对纳米交叉杆中的忆阻器进行自适应编程的方法是首先对被编程的一行忆阻器进行擦除操作，将这一行忆阻器的电阻值全部初始化到高阻值Rtw ;然后对被编程的一行忆阻器进行编程操作，将这一行忆阻器的电阻值编程到各自的目标阻值Rtaim。由于各个反馈控制单元的工作过程相同且彼此独立，因此下面以第i个反馈控制单元为例进行说明。第一步，对被编程的一行忆阻器进行擦除操作。从擦除或保护电压输入端口输入极性为正、幅度为\c的擦除或保护电压信号Vpkt，从偏置电压输入端口输入OV的偏置电压信号Vbus,从参考电平输入端口输入极性为正、幅度为V。。的参考电压信号Vkhmij这将使得电压比较器的输出为低电平，并将PMOS晶体管导通，将NMOS晶体管截止，从而使编程电压信号Vpkm输出V。。。同时，从选通信号输入端口输入M个选通信号，其中被选通的忆阻器所在的横向纳米线输入0V，未被选通的忆阻器所在行输入幅度为V。。的正电压。此时被编程的忆阻器由于两端的电压差-V。。小于负阈值-Vn，其电阻值向增加的方向变化。未被编程的忆阻器由于两端的电压差为0，因此电阻值保持不变。在经过时间Teka之后，所有被编程的忆阻器的阻值都被编程到高阻值Rtw。这时输入极性为负、幅度为V。。的参考电压，将选通信号全部置低，完成擦除操作。Teka为忆阻器的电阻值被上述擦除电路从低阻值Ron修改到高 阻值Rotf所需的时间。第二步，对被编程的一行忆阻器进行编程操作。从擦除或保护电压输入端口输入幅度为Vn、极性为正的擦除或保护电压Vm，从偏置电压输入端口输入幅度为V。。、极性为正的偏置电压Vbus,从第i个参考电压输入端口输入大小为、极性为负的参考电压Vkef+其中Rtaih是被选通行第i列忆阻器的目标阻值。由于被编程的忆阻器的阻值已经被擦除成高阻值R<w，因此运算放大器的初始输出电压为Vdi=-VccRW。由于Rtak-^IVf,因此这使得电压比较器的输出为高电平。这将使PMOS晶体管截止，同时由于NMOS晶体管处于导通状态，反馈控制单元将输出低电平OV的编程电压信号Vpkmij从选通信号输入端口输入一组选通信号，其中被选通的忆阻器所在横向纳米线输入V。。，未被选通的忆阻器所在行输入0V。此时未被选通的忆阻器由于两端的电压差为0，因此电阻值保持不变。被选通的忆阻器由于两端的电压差Vrc大于正阈值VP，其电阻值向减小的方向变化。当忆阻器的电阻值减小到Rtaih时，运算放大器的输出电压这使得电压比较器输出低电平，将PMOS晶体管导通。此时反馈控制单元输出的电压与擦除或保护电SVpkt接近，即Vpkm Vn，这使被编程忆阻器两端的压差由Vrc减小到Vrc-VN。由于这时被编程忆阻器两端的压差小于正阈值电压，即因此其电阻值停留在Rtam状态，不再发生变化。对于未被选通进行编程的忆阻器，其两端电压差为负，幅度略小于负阈值电压Vn，因此阻值不会发生变化。在经过时间Tpro之后，所有被编程的忆阻器的阻值都将被修改到目标阻值Rtaih。这时将编程选通信号全部置低。Tpro为忆阻器的电阻值被上述反馈控制单元编程从高阻值Rotf修改到低阻值Rm所需的时间。对具有不同参数和目标阻值的忆阻器，所需编程电压Vpkm的脉冲宽度不需要提前设定，而是在编程过程中根据忆阻器的阻值变化动态调节的。与现有技术相比，本发明可以达到以下技术效果I、本发明纳米交叉杆结构中的多值忆阻器的电阻值可根据需要在其变化范围内进行编程修改。2、本发明编程精度与电路中忆阻器的器件参数误差无关，可通过自适应地调节编程电压信号Vpkm的脉冲宽度达到较高的编程精度。
3、本发明编程时是按行对纳米交叉杆结构中的忆阻器进行编程，编程效率较高。
图I是本发明的结构示意图；图2是本发明中反馈控制单元的电路示意图。
具体实施例方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。图I是本发明面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路的结构示意图。本发明由纳米交叉杆和N个反馈控制单元组成。N为纳米交叉杆的纵向纳米线的条数，是正整数。N个反馈控制单元分别与纳米交叉杆的N条纵向纳米线相连。电路的输入输出端口·包括M个选通信号输入端口、一个擦除或保护电压输入端口、一个偏置电压输入端口、N个参考电压输入端口。M为纳米交叉杆的横向纳米线的条数。纳米交叉杆中包含M条横向纳米线、N条纵向纳米线及MXN个忆阻器，其中忆阻器选择有阈值效应的忆阻器，其正阈值电压为VP，负阈值电压为-Vno忆阻器的连接应使得当在与横向纳米线相连一端施加正电压且在与纵向纳米线相连一端施加负电压时忆阻器电阻值减小。第i条纵向纳米线的一端与第i个反馈控制单元的输出端相连，接收其输出的编程电压信号VP(M，i为正整数，且I < i < N。每条横向纳米线的一端即是一个选通信号输入端口，选通信号输入端口从外部接收选通信号，用于选通纳米交叉杆中的一行忆阻器进行擦除或编程。对忆阻器进行编程时需要首先对忆阻器进行擦除操作，将其电阻值初始化为高阻值Roff,然后再通过编程操作将其电阻值编程到需要的目标阻值Rtaih，Ron ( RTA-i ( R<w。当进行擦除操作时，M条横向纳米线通过选通信号输入端口接收M个选通信号，其中一个选通信号为0V，表示选通与该横向纳米线相连的一行忆阻器，其它选通信号为V。。，表示与该横向纳米线相连的一行忆阻器未被选通(Vcc为正电压，且VP〈Vrc〈VP+VN)。这时，被选通的一行忆阻器的电阻值在编程电压信号Vpkm的作用下全部被擦除到高阻值Rtw,未被选通的忆阻器的电阻值不发生改变。当进行编程操作时，M条横向纳米线通过选通信号输入端口接收M个选通信号，其中一个选通信号为V。。，表示选通与该横向纳米线相连的一行忆阻器，其它选通信号为0V，表示与该横向纳米线相连的一行忆阻器未被选通。这时，被选通的一行忆阻器的电阻值分别在第i个编程电压信号Vpkm的作用下被编程到目标阻值Rtaih。未被选通的忆阻器的电阻值不发生改变。图2是本发明中反馈控制单元的电路示意图。每个反馈控制单元与纳米交叉杆的一条纵向纳米线相连，它通过擦除或保护电压输入端口接收擦除或保护电压信号，用于在对忆阻器进行擦除或编程时提供驱动或保护电压。通过偏置电压输入端口接收偏置电压信号，用于在对忆阻器进行擦除或编程时提供偏置电压。N个反馈控制单元共用一个擦除或保护电压信号Vpkt输入端和一个偏置电压信号Vbus输入端。每个反馈控制单兀均有一个参考电压输入端口，通过参考电压输入端口接收参考电压信号，用于间接地给出被编程忆阻器的目标阻值。每个反馈控制单元由一个运算放大器、一个负反馈电阻、一个同向输入端电阻、一个电压比较器、一个PMOS晶体管及一个NMOS晶体管组成。NMOS晶体管的栅极即是偏置电压信号Vbus输入端，NMOS晶体管的漏极即是编程电压信号Vpkm输出端，与纵向纳米线相连，NMOS晶体管的源极与运算放大器的负向输入端相连。PMOS晶体管的栅极与电压比较器输出端相连，PMOS晶体管的源极是擦除或保护电压信号Vpkt输入端，PMOS晶体管的漏极与NMOS晶体管的漏极相连。负反馈电阻连接在运算放大器负向输入端和输出端之间，其阻值Rf=IVfVmaW其中Vmax为电压比较器输入信号的最大值。同向输入端电阻连接在运算放大器正向输入端和地之间，其阻值Rt=IW/(M+R_/Rf)。电压比较器的正向输入端接收运算放大器输出端输出的电压，负向输入端即是参考电压输入端口。·
权利要求
1.ー种面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路，其特征在于面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路由纳米交叉杆和N个反馈控制单元组成，有M个选通信号输入端ロ、一个擦除或保护电压输入端ロ、一个偏置电压输入端ロ、N个參考电压输入端ロ，M为纳米交叉杆的横向纳米线的条数，N为纳米交叉杆的纵向纳米线的条数，N个反馈控制单元分别与纳米交叉杆的N条纵向纳米线相连 纳米交叉杆中包含M条横向纳米线、N条纵向纳米线及MXN个忆阻器，其中忆阻器选择有阈值效应的忆阻器，其正阈值电压为VP，负阈值电压为-Vn，忆阻器的连接应使得当在与横向纳米线相连一端施加正电压且在与纵向纳米线相连一端施加负电压时忆阻器电阻值减小；第i条纵向纳米线的一端与第i个反馈控制单元的输出端相连，接收其输出的编程电压信号Vpkm, i为正整数，且I < i < N ;每条横向纳米线的一端即是ー个选通信号输入端ロ，选通信号输入端ロ从外部接收选通信号，用于选通纳米交叉杆中的一行忆阻器进行擦除或编程； 每个反馈控制単元与纳米交叉杆的一条纵向纳米线相连，它通过擦除或保护电压输入端ロ接收擦除或保护电压信号，通过偏置电压输入端ロ接收偏置电压信号，N个反馈控制单元共用一个擦除或保护电压信号Vpkt输入端和ー个偏置电压信号Vblas输入端，每个反馈控制単元均有一个參考电压输入端ロ，通过參考电压输入端ロ接收參考电压信号，用于将被编程忆阻器编程到目标阻值； 每个反馈控制単元由一个运算放大器、ー个负反馈电阻、ー个同向输入端电阻、ー个电压比较器、ー个PMOS晶体管及ー个NMOS晶体管组成；NM0S晶体管的栅极即是偏置电压信号Vbus输入端，NMOS晶体管的漏极即是编程电压信号Vpkm输出端，与纵向纳米线相连，NMOS晶体管的源极与运算放大器的负向输入端相连；PM0S晶体管的栅极与电压比较器输出端相连，PMOS晶体管的源极是擦除或保护电压信号Vpkt输入端，PMOS晶体管的漏极与NMOS晶体管的漏极相连；负反馈电阻连接在运算放大器负向输入端和输出端之间，其阻值PF=R<wVMX/V。。，其中Rtw为忆阻器电阻值可以达到的最大值，忆阻器电阻值的变化范围为[Ron, Roff]，Vmax为电压比较器输入信号的最大值，Vrc为正电压，且VP〈Vrc〈VP+VN ；同向输入端电阻连接在运算放大器正向输入端和地之间，其阻值Rt=IWパM+R_/Rf);电压比较器的正向输入端接收运算放大器输出端输出的电压，负向输入端即是參考电压输入端ロ。
2.一种如权利要求I所述的面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路的编程方法，其特征在于首先对被编程的一行忆阻器进行擦除操作，将这一行忆阻器的电阻值全部初始化到高阻值Roff ;然后对被编程的一行忆阻器进行编程操作，将这一行忆阻器的电阻值编程到各自的目标阻值Rtaih, Ron ^ Rtaih ^ Roffj各个反馈控制单元的工作过程相同且彼此独立。
3.如权利要求2所述的面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路的编程方法，其特征在于对被编程的一行忆阻器进行擦除操作的方法是从擦除或保护电压输入端ロ输入极性为正、幅度为\c的擦除或保护电压信号Vm，从偏置电压输入端ロ输入OV的偏置电压信号Vbus,从參考电平输入端ロ输入极性为正、幅度为V。。的參考电压信号Vm^i,使得电压比较器的输出为低电平，并将PMOS晶体管导通，将NMOS晶体管截止，使编程电压信号乂_ィ输出V。。；同时，从选通信号输入端ロ输入M个选通信号，其中被选通的忆阻器所在的横向纳米线输入0V，未被选通的忆阻器所在行输入幅度为V。。的正电压，此时被编程的忆阻器电阻值向増加的方向变化，未被编程的忆阻器电阻值保持不变；在经过时间Teka之后，所有被编程的忆阻器的阻值都被编程到高阻值Rtw，这时输入极性为负、幅度为V。。的參考电压，将选通信号全部置低，完成擦除操作；Teka为忆阻器的电阻值被上述擦除电路从低阻值Ron修改到高阻值Rtw所需的时间。
4.如权利要求2所述的面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路的编程方法，其特征在于对被编程的一行忆阻器进行编程操作的方法是从擦除或保护电压输入端ロ输入幅度为Vn、极性为正的擦除或保护电HVm，从偏置电压输入端ロ输入幅度为V。。、极性为正的偏置电压Vbus，从第i个參考电压输入端ロ输入大小为VkIVRtaim、极性为负的參考电压Vkefm，其中Rtam是被选通行第i列忆阻器的目标阻值；由于被编程的忆阻器的阻值已经被擦除成高阻值Rtw,因此运算放大器的初始输出电压为由于Rtae-^Roffj因此，这使得电压比较器的输出为高电平，使PMOS晶体管截止，同时由于NMOS晶体管处于导通状态，反馈控制単元将输出低电平OV的编程电压信号Vpkm ;从选通信号输入端ロ输入ー组选通信号，其中被选通的忆阻器所在横向纳米线输入V。。，未被选通的忆阻器所在行输入0V，此时未被选通的忆阻器电阻值保持不变，被选通的忆阻器电阻值向减小的方向变化，当忆阻器的电阻值减小到RTA_i时，运算放大器的输出电压，使得电压比较器输出低电平，将PMOS晶体管导通，使被编程忆阻器两端的压差由ル。减小到Vrc-VN，这时被编程忆阻器的电阻值停留在Rtam状态，不再发生变化，经过时间Tpeo之后，所有被编程的忆阻器的阻值都将被修改到目标阻值Rtaim，这时将编程选通信号全部置低；TPro为忆阻器的电阻值被上述反馈控制単元编程从高阻值Rtw修改到低阻值Rw所需的时间。
全文摘要
本发明公开了一种面向纳米交叉杆结构的多值忆阻器自适应编程电路及方法，目的是解决忆阻器多值编程的精度问题并提高编程的效率。该编程电路由纳米交叉杆和N个反馈控制单元组成，纳米交叉杆中包含M条横向纳米线、N条纵向纳米线及M×N个忆阻器，每个反馈控制单元与纳米交叉杆的一条纵向纳米线相连。编程方法是首先对被编程的一行忆阻器进行擦除操作，将这一行忆阻器的电阻值全部初始化到高阻值，再对被编程的一行忆阻器进行编程操作，每个反馈控制单元通过参考电压输入端口接收参考电压信号，将被编程的一行忆阻器的电阻值编程到各自的目标阻值。本发明多值忆阻器的电阻值可根据需要在其变化范围内进行编程修改，编程精度较高，编程效率较高。
文档编号G11C11/56GK102789811SQ201210199259
公开日2012年11月21日 申请日期2012年6月15日 优先权日2012年6月15日
发明者吴俊杰, 周静, 唐玉华, 方旭东, 易勋, 朱玄, 杨学军, 黄达 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学