一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路及其实现方法
【技术领域】
[0001 ] 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】
[0002] 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M0SFET搭建复杂的电路系统，通过编程电压 控制M0SFET的开关从而实现编程的目的，比如1〇]、0?1^、？?64、03?、1^1]。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M0S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】
[0003] 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M0S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。
[0004] 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匪0S管M1、 第二NM0S管M2、第三NM0S管M3、第四NM0S管M4，所述第一 NM0S管Ml的栅极与所述第一 NM0S管 Ml的漏极、所述第二NM0S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，所述第三匪0S管M3的栅极与所述第四NM0S管M4的栅极、所述第四匪0S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《0S管Ml的源极与所述 第三匪0S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 W0S管M2的漏极与所述第四匪0S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，所述第二匪0S管M2的源极与所述第三匪0S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。
[0005] 进一步地，所述第一 NM0S管Ml、第四NM0S管M4均采用二极管连接方式。
[0006] 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，分别控制第一匪0S管M1、第二NM0S管M2以及 第三匪0S管M3、第四NM0S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。
[0007] 进一步地，所述第一匪0S管Ml与所述第四NM0S管M4采用二极管连接方式，用以使 第一匪0S管Ml、第四NM0S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：
[0009] 其中，Id为NM0S管的漏极电流，un为电子迀移速率，C〇x为单位面积氧化层电容，W为 沟道宽度，L为沟道的长度，V CS为NM0S管栅源极之间的电压，VTH为NM0S管的阈值电压。
[0010] 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提供 NM0S管的工作电压。
[0011]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。
[0012]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； Ron与Roff为模型在开启状态即氧化物全为Ti02-n和关断状态即氧化物全为Ti0 2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：
[0015] 忆阻器的记忆性通过Ti〇2与Ti02-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Ti〇 2-n层漂移至Ti〇2层，使得一定厚度的Ti〇2变化为Ti〇 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Ti〇 2漂移至Ti〇2-n，一定厚度的Ti〇2-n变化为Ti〇 2。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，杂质迀移速率很小甚至为0,此时器件两端的电场不足以使杂质发生大规模迀 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 迀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 (iη) = 2s in⑴（V)，设置阈值电压Vt = 0.5V。当IV(in) I > 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NM0S管组成，如图4所示。
[0016] 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M0S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NM0S管組12、13、14，￥1、￥2是编程输 入端口，分别控制两个匪0S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
: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。
[0017] 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M0S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NM0S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】
[0018] 图1为忆阻器的模型图。
[0019] 图2为忆阻器模型电压、电流、及阻值曲线。
[0020] 图3为本发明的原理不意图。
[0021 ]图4为本发明的忆阻器阻值控制模块电路示意图。
[0022]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】
[0023]下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0024] 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 NM0S管Ml、第二匪0S管M2、第三 NM0S管M3、第四NM0S管M4,所述第一 NM0S管Ml的栅极与所述第一 NM0S管Ml的漏极、所述第二 NM0S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NM0S 管M3的栅极与所述第四NM0S管M4的栅极、所述第四NM0S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NM0S管Ml的源极与所述第三NM0S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，所述第二匪0S管M2的漏极与所述 第四匪0S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 NM0S管M2的源极与所述第三NM0S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。
[0025]在本实施例中，所述第一NM0S管M1、第四N