一种基于运算放大器的忆阻器编程电路及其操作方法

文档序号:9201476阅读:783来源:国知局
一种基于运算放大器的忆阻器编程电路及其操作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于所述的忆阻器编程电路领域,更具体地,涉及一种基于运算放大器的 忆阻器编程电路及其操作方法。
【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,将对传统所述的忆阻器编 程电路带来革新。
[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] 中国发明专利《一种基于阻变忆阻器的电压保护电路及其应用》(【申请号】 201210119083. 7,申请日:2012-04-20)所提出的设计,利用电路自身所产生的电压对置于 电路中的忆阻器进行阻态调节,以此来反馈实现电路电压保护。但是它无法实现主动通过 调控忆阻器的阻态来调控电路性能,且此种设计仅适用于电压保护等特定电路,无法作为 通用模块应用于各类型可编程所述的忆阻器编程电路中。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、求差电路、求和电路、积分电路、微分电路等类型的 所述的忆阻器编程电路中,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。

【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应用运算放大器的可以对忆阻 器的阻值进行编程操作的可编程所述的忆阻器编程电路。
[0006] 本发明提供了一种基于运算放大器的忆阻器编程电路,所述编程电路包括:阻变 元件M、第一电阻R1、脉冲开关P和运算放大器;所述运算放大器的反相输入端作为所述忆 阻器编程电路的输入端Vi,所述运算放大器的同相输入端接地,所述运算放大器的输出端 作为所述忆阻器编程电路的输出端Vo ;所述脉冲开关P的一端通过所述阻变元件M连接至 所述运算放大器的反相输入端,所述脉冲开关P的另一端作为所述忆阻器编程电路的脉冲 输入端pulse ;所述第一电阻Rl连接在所述脉冲开关P的一端与所述运算放大器的输出端 之间。
[0007] 更进一步地,工作时,所述脉冲输入端pulse接零电压,所述阻变元件M两端的电 压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vtl之间,通过给所述脉冲输入端pulse施加 正向脉冲,使得所述阻变元件M的阻值正向改变;通过给所述脉冲输入端pul se施加负向脉 冲,使得所述阻变元件M的阻值反向改变。
[0008] 其中,所述脉冲开关P具有如下作用:脉冲输入端pulse接零电压时,使阻变元件 M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vtl之间;通过给所述脉冲输入端 pulse施加正向脉冲,使得所述阻变元件M的阻值正向改变;通过给所述脉冲输入端pulse 施加负向脉冲,使得所述阻变元件M的阻值反向改变。
[0009] 本发明还提供了一种基于运算放大器的忆阻器编程电路,所述忆阻器编程电路包 括:阻变元件M、电路元件X、脉冲开关P和运算放大器;所述阻变元件M的一端作为所述忆 阻器编程电路的输入端Vi,所述阻变元件M的另一端连接至所述运算放大器的反相输入 端;所述运算放大器的正相输入端接地,所述运算放大器的输出端作为所述忆阻器编程电 路的输出端Vo ;所述脉冲开关P的一端连接至所述阻变元件M的一端,所述脉冲开关P的 另一端作为所述忆阻器编程电路的脉冲输入端pulse ;所述电路元件X连接在所述运算放 大器的反相输入端与输出端之间。
[0010] 更进一步地,工作时,所述脉冲输入端pulse接零电压,所述阻变元件M两端的电 压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vtl之间;通过给脉冲输入端施加正向脉冲使 得所述阻变元件M的阻值改变;通过给所述脉冲输入端施加负向脉冲使得所述阻变元件M 的阻值反向改变。
[0011] 其中,所述脉冲开关P具有如下作用:脉冲输入端pulse接零电压时,使阻变元件 M两端的电压降处于第二阈值电压Vt2与第一阈值电压Vtl之间;通过给所述脉冲输入端 施加正向脉冲,使得所述阻变元件M的阻值正向改变;通过给所述脉冲输入端施加负向脉 冲,使得所述阻变元件M的阻值反向改变。
[0012] 更进一步地,所述电路元件X为使运算放大器出现深度负反馈的任意电路元件。
[0013] 作为本发明的一个实施例,所述阻变元件M可以为忆阻器;所述忆阻器的两端分 别为正极与负极;正极是指从正极施加大于第一阈值电压Vtl的偏置会使忆阻器从高阻状 态转变为低阻状态;负极是指从负极施加小于第二阈值电压Vt2的偏置会使忆阻器从低阻 状态转变为高阻状态。
[0014] 本发明还提供了一种基于上述的编程电路的操作方法,包括下述步骤:
[0015] Sll :通过在所述编程电路的输入端Vi施加工作电压,且在脉冲输入端pulse接零 电压,脉冲开关P关断,使得所述的忆阻器编程电路所述的忆阻器编程电路正常工作,输出 端Vo正常输出;
[0016] 所述工作电压是指使得所述阻变元件M两端的电压降在第二阻阈值电压Vt2与第 一阈值电压Vtl之间的电压;
[0017] S12 :通过给所述脉冲输入端pulse施加正向脉冲使得脉冲开关P导通,电流由脉 冲输入端pulse经脉冲开关P流经阻变元件M后利用运算放大器深度负反馈的虚地特性流 经到地;改变了所述阻变元件M的阻值,从而改变了所述的忆阻器编程电路的参数;
[0018] 其中,当电流由阻变元件M的正极流向负极时,阻变元件M的阻值逐渐降低;当电 流由阻变元件M的负极流向正极时,阻变元件M的阻值逐渐升高;
[0019] S13 :通过给所述脉冲输入端pulse施加负向脉冲使得脉冲开关P导通,电流由地 利用运算放大器深度负反馈的虚地特性流经阻变元件M,再流经脉冲开关P到脉冲输入端 pulse ;反向改变了阻变元件M的阻值,从而反向改变所述的忆阻器编程电路的参数;
[0020] 其中,当电流由阻变元件M的正极流向负极时,阻变元件M的阻值逐渐降低;当电 流由阻变元件M的负极流向正极时,阻变元件M的阻值逐渐升高。
[0021] 本发明还提供了一种反相放大器,包括第一电阻R11、第二电阻R12、第三电阻 R13、第一二极管D11、第二二极管D12、N型MOS管Qll、P型MOS管Q12、阻变元件M和运算 放大器;所述第一电阻Rll的一端作为所述反相放大器的输入端Vi ;所述第一电阻Rll的 另一端连接所述阻变元件M的一端,所述阻变元件M的另一端连接至所述运算放大器的反 相输入端;所述运算放大器的正相输入端接地,所述运算放大器的输出端作为所述反相放 大器的输出端Vo ;所述第二电阻R12连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端Vo之 间;所述N型MOS管Ql 1的栅极和所述P型MOS管Q12的栅极均接地,所述N型MOS管Ql 1 的源极和所述P型MOS管Q12的源极连接后作为所述反相放大器的脉冲输入端pulse,所 述N型MOS管Qll的漏极连接至所述第一二极管Dll的负极,所述P型MOS管Q12的漏极 连接至所述第二二极管D12的正极;所述第一二极管Dll的正极和所述第二二极管D12的 负极均连接至所述第一电阻Rll的另一端;所述第三电阻R13连接在脉冲输入端pulse与 地之间。
[0022] 本发明还提供了一种反相放大器,包括第一电阻R21、第二电阻R22、第三电阻 R23、阻变元件M、运算放大器、第一二极管D21、第二二极管D22、N型MOS管Q21和P型MOS 管Q22 ;所述第一电阻R21的一端作为所述反相放大器的输入端Vi,所述第一电阻R21的 另一端连接所述运算放大器的反相输入端;所述运算放大器的正相输入端接地,所述运算 放大器的输出端作为所述反相放大器的输出端Vo ;所述阻变元件M的一端连接至所述运算 放大器的反相输入端,所述阻变元件M的另一端通过所述第三电阻R23连接至所述运算放 大器的输出端;所述P型MOS管Q22的栅极和所述N型MOS管Q21的栅极均接地,所述P 型MOS管Q22的源极和所述N型MOS管Q21的源极连接后作为所述反相放大器脉冲输入端 pulse,所述P型MOS管Q22的漏极连接至所述第二二极管D22的正极,所述N型MOS管Q21 的漏极连接至所述第一二极管D21的负极;所述第二二极管D22的负极和所述第一二极管 D21的正极均连接至所述阻变元件M的另一端;所述第二电阻R22连接在所述P型MOS管 Q22的源极与地之间。
[0023] 本发明还提供了一种积分电路,包括第一电阻R31、第二电阻R32、电容C31、第 一二极管D31、第二二极管D32、N型MOS管Q31、P型MOS管Q32、阻变元件M和运算放大器; 所述第一电阻R31的一端作为所述积分电路的输入端Vi ;所述第一电阻R31的另一端连接 所述阻变元件M的一端;所述阻变元件M的另一端连接至所述运算放大器的反相输入端;
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