一种基于忆阻器的通用编程模块及其操作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于模拟电路领域，更具体的，涉及一种基于忆阻器的通用编程模块及其 操作方法。
【背景技术】
[0002] 忆阻器（Memristor)被认为是电阻、电容、电感外的第四种基本电路元件，能够记 忆流经的电荷量，其电阻值能够通过控制电流变化而随之改变。忆阻器的高阻态和低阻态 可以用来存储"〇"和"1"，用于信息存储，具有非易失性、低功耗、高速、高集成度等优点。此 外，忆阻器的阻值可以随外加电流与电压的积累而连续变化，因此，可以对忆阻器的阻值进 行可编程操作。这样一种具有新颖可编程特性的电路基本元件，将对传统模拟电路带来革 新。
[0003] 具有阈值电压是忆阻器的一个重要的性质，只有加在忆阻器两端的电压大于其阈 值电压时，忆阻器的阻值才会改变。因此，若电路运行时电路中某电阻两端的电压低于忆阻 器的阈值电压，就可以使用忆阻器代替该电阻，于是这个电阻所提供的电路参数便具有了 可编程性。通过忆阻器编程电路为忆阻器两端提供高于其阈值电压的电压脉冲，就可以对 忆阻器的阻值进行可编程操作，从而对电路的性能参数实行可编程控制。这样，引入具有阻 值可编程特性及非易失性的忆阻器，能够有效的丰富和扩展传统可编程电路的功能和性能 参数可调性。
[0004] 现阶段亟需开发一种基于忆阻器的可编程电路模块，以嵌入于放大电路、桥式电 路、施密特触发器、求差电路、求和电路、积分电路、微分电路、稳压电路、振荡电路和滤波电 路等各类型模拟电路中，充分利用忆阻器电阻的可编程特性，来实现电路功能的扩展、性能 的提升以及电路参数的可调节性。此外，这一忆阻器可编程模块应具有结构简单，器件数目 较少，操作速度快，功耗低等优点。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于忆阻器来实现可编程操作 的电路模块。
[0006] 本发明提供了一种可编程模块，其特征在于，包括阻变元件M、电阻R1、第一 N型 M0S管Q1、第一 P型M0S管Q2、第二N型M0S管Q3和第二P型M0S管Q4 ;所述阻变元件M 的一端作为与外部电路连接的第一端口 VI，阻变元件M的另一端作为与外部电路连接的第 二端口 V2 ;所述第一 N型M0S管Q1的漏极和所述第一 P型M0S管Q2的漏极均连接至所述 阻变元件M的一端，所述第一 N型M0S管Q1的源极和所述第一 P型M0S管Q2的源极连接 后与所述电阻R1的一端连接，所述第一 N型M0S管Q1的栅极与所述第一 P型M0S管Q2的 栅极连接后与所述电阻R1的另一端连接；所述电阻R1的一端作为脉冲输入端pulse，所述 电阻R1另一端接地；所述第二N型M0S管Q3的漏极与所述第二P型M0S管Q4的漏极均连 接至所述阻变元件M的另一端，所述第二N型M0S管Q3的源极与所述第二P型M0S管Q4 的源极均接地，所述第二N型MOS管Q3的栅极与所述第二P型MOS管Q4的栅极与所述电 阻R1的一端连接。
[0007] 更进一步地，还包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管 D4 ;所述第一二极管D1的正极和所述第二二极管D2的负极均连接至所述阻变元件M的一 端，所述第一二极管D1的负极连接至所述第一 N型M0S管Q1的漏极，所述第二二极管D2 的正极连接至第一 P型M0S管Q2的漏极；所述第三二极管D3的正极和所述第四二极管D4 的负极均连接至所述阻变元件M的另一端，所述第三二极管D3的负极连接至所述第二N型 M0S管Q3的漏极，所述第四二极管D4的正极连接至第二P型M0S管Q4的漏极。
[0008] 更进一步地，所述阻变元件M为磁随机存储器、阻变存储器或相变存储器。
[0009] 更进一步地，所述阻变元件M为忆阻器。
[0010] 更进一步地，正常工作时，脉冲输入端接零电压，阻变元件M两端的电压偏置在第 二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vtl之间。
[0011] 更进一步地，在所述脉冲输入端pulse施加正向脉冲时，所述阻变元件M的阻值增 大/减小；在所述脉冲输入端pulse施加负向脉冲时，所述阻变元件M的阻值减小/增大。
[0012] 更进一步地，通过在第一端口 VI和第二端口 V2之间施加外部激励，使得所述阻变 元件M两端的电压偏置在第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vtl之间。
[0013] 本发明还提供了一种如上所述的可编程模块，将所述阻变元件M替换为由多个阻 变元件串联而成的阻变元件串联组。
[0014] 更进一步地，所述阻变元件串联组中各个阻变元件串联时极性方向相同，所述阻 变元件串联组的极性与其中每一个阻变元件的极性相同，通过多个阻变元件的分压使在电 路正常运行过程中每个阻变元件两端的电压降都保持在第二阈值电压Vt2与第一阈值电 压Vtl之间，阻变元件的阻值在这个过程中保持不变。
[0015] 本发明还提供了一种可编程模块的操作方法，其特征在于，包括下述步骤：
[0016] S1 :通过在第一端口 VI和第二端口 V2同时施加工作电压，且脉冲输入端pulse接 零电压，使得电路正常工作；
[0017] 其中，分别与所述第一端口 VI与所述第二端口 V2连接的外部电路正常工作时，所 述阻变元件M两端的电压在第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vtl之间，且所述阻变元件 M的阻值在这一过程中不发生改变；
[0018] 当脉冲输入端pulse接零电压时，所述可编程模块中的第一 N型M0S管Q1、第一 P 型M0S管Q2、第二N型M0S管Q3和第二P型M0S管Q4均断开；
[0019] S2 :通过给脉冲输入端pulse施加正向脉冲使得第一 P型M0S管Q2、和第二N型 M0S管Q3导通，阻变元件M的阻值增大/减小：
[0020] 当脉冲输入端pulse被施加正向脉冲时，第一 P型M0S管Q2和第二N型M0S管Q3 均导通，第一 N型M0S管Q1和第二P型M0S管Q4均断开，阻变元件M中的电流方向是由脉 冲输入端pulse经第一 P型M0S管Q2和第二N型M0S管Q3后到地；
[0021] 在此过程中，阻变元件M两端的电压在第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vtl范 围之外，阻变元件M的阻值发生改变，若电流由阻变元件M的正极流向负极，则阻变元件M 的阻值逐渐降低；若电流由阻变元件M的负极流向正极，则阻变元件M的阻值逐渐升高；
[0022] S3 :通过给脉冲输入端pulse施加负向脉冲来使第二P型M0S管Q4和第一 N型 MOS管Q1导通，阻变元件M的阻值减小/增大：
[0023] 当脉冲输入端pulse被施加正向脉冲时，第一 P型M0S管Q2和第二N型M0S管Q3 和第三二极管D3均断开，第一 N型M0S管Q1和第二P型M0S管Q4均导通，阻变元件M中 的电流方向是由地经第二P型M0S管Q4和第一 N型M0S管Q1后到脉冲输入端pulse ;
[0024] 在此过程中，阻变元件M两端的电压在第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vtl范 围之外，阻变元件M的阻值发生改变，若电流由阻变元件M的正极流向负极，则阻变元件M 的阻值逐渐降低；若电流由阻变元件M的负极流向正极，则阻变元件M的阻值逐渐升高。
[0025] 本发明提出的一种基于忆阻器的通用编程模块可以用来代替现有模拟电路中的 电阻，既不改变已有电路的功能，又应用了忆阻器的阻值可编程性，通过简单的正负脉冲对 忆阻器的阻值进行可编程控制，从而使电路参数具有了可编程性。此外，应用M0S管与二 极管搭建的脉冲输入电路与忆阻器一端接地的电路使编程模块在正常工作时可以等效为 一个阻值