一种基于忆阻器实现多层识别的电路及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子学和生物认知模拟领域，更具体地，涉及一种基于忆阻器实现多层识别的电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002]忆阻器是一种代表着电荷量和磁通量关系两端器件。其阻值随着通过的电流而改变，即忆阻器的电阻的变化和电流的大小以及其方向有关。所以，可以通过控制作用于忆阻器两端的脉冲信号，来控制忆阻器阻值的改变。这种控制方法，包括脉冲幅值，脉冲宽度，占空比等。
[0003]在传统的认知领域中，生物体对于外界事物的识别是分为很多层次的。生物体将从外界事物获得的信号和自身记忆进行相互匹配，并对自身记忆进行唤醒。根据匹配程度和记忆唤醒程度的差别，将对外界事物的识别进行分类。这种分类笼统的包括，认识、熟悉和陌生三个层次。
[0004]目前，对于生物识别的模拟，基本上利用传统CMOS电路来实现。但是，这种实现方法，需要众多电子元件，电路规模大，功耗高；同时，传统的识别方式多停留在两种状态，即识别和不能识别。其方法不够智能化。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于忆阻器实现多层识别的电路及其控制方法，其目的在于通过控制忆阻器两端的输入信号来实现多层次识别；旨在解决现有技术只能识别两种状态且电路规模大，实现复杂的技术问题。
[0006]本发明提供了一种基于忆阻器实现多层识别的电路，包括忆阻器M和定值电阻R，所述忆阻器M的一端作为第一输入端用于接收记忆样本信号，所述忆阻器M的另一端作为第二输入端用于接收外界刺激信号，所述忆阻器M的另一端还作为输出端用于输出电压，所述忆阻器M的另一端还通过所述定值电阻R接地。该电路用于模拟生物体多层识别能力。当在第一输入端输入已存储在大脑中的样本信号，在第二输入端输入外界刺激信号。通过分别调节信号的脉冲数目(信号内容)和信号的幅值(信号强度)来调节样本信号和刺激信号的匹配度，实现多层次的识别，即认知、熟悉和陌生三种状态。
[0007]更进一步地，所述定值电阻的阻值等于所述忆阻器M的低阻阻值。
[0008]更进一步地，所述忆阻器M包括:第一电极层、第二电极层和设置于所述第一电极层和所述第二电极层之间的功能材料层；所述功能材料层为氧化物功能材料层、硫系化合物功能材料层或钙钛矿结构功能材料层。当在第一电极层施加脉冲信号，脉冲为正，忆阻器阻值减少，脉冲为负，忆阻器阻值增加；脉冲幅值越大，阻值改变量越大。
[0009]更进一步地，工作时，先在第一输入端输入记忆样本信号，忆阻器处在高阻态，由于定值电阻阻值远低于忆阻器高阻态阻值，定值电阻分压很小；再在第一输入端输入记忆样本信号，同时在第二输入端输入外界刺激信号，将两种信号进行匹配，实现电路对于外界信号的识别，在两种信号共同作用下，忆阻器的电阻逐渐减小，这种减小程度由外界刺激信号和记忆样本信号的匹配程度来决定；最后在第一输入端输入记忆样本信号，由于忆阻器的电阻阻值减少，定值电阻分压增加，输出信号强度增加；由于不同外界刺激信号对于忆阻器阻值改变不同，定值电阻最后分压的大小也不同，当输出的电压大于第一阈值电压A时，认为状态为识别，当输出的电压大于第二阈值电压B且小于第一阈值电压A时，认为状态为熟悉，当输出的电压小于第二阈值电压B时，认为状态为陌生。
[0010]在本发明中，当刺激信号强度相同，用来匹配的样本信号内容越详细，越容易识别；用来匹配的样本信号内容越简单，越不容易识别；当样本信号内容一定，被匹配的刺激信号强度越大，越容易被识别，被匹配的刺激信号强度越小，越不容易被识别。
[0011]本发明还提供了一种基于忆阻器实现多层识别的电路的控制方法，包括下述步骤:
[0012](I)通过在第一输入端输入记忆样本信号，当忆阻器处在高阻态时，来检测记忆样本信号的输出状态；
[0013](2)通过在第一输入端输入记忆样本信号，同时在第二输入端输入外界刺激信号，进行记忆样本信号和外界刺激信号的匹配，使得忆阻器的电阻逐渐减小；
[0014](3)通过在第一输入端输入记忆样本信号，并获得输出端的电压；当输出端输出的电压大于第一阈值电压A时，认为状态为识别，当输出的电压大于第二阈值电压B且小于第一阈值电压A时，认为状态为熟悉，当输出的电压小于第二阈值电压B时，认为状态为陌生。
[0015]在本发明中，控制两端信号匹配方法可以为改变第二输入端输入信号的脉宽。其脉宽越大，忆阻器阻值变化越大，对信号匹配度改变越大；脉宽越小，忆阻器阻值变化越小，对信号匹配度改变越小。
[0016]控制两端信号匹配方法可以为改变第二输入端输入信号与第一输入端输入信号的匹配时间。当改变第二输入端输入信号与第一输入端输入信号的匹配时间，即第二输入端输入信号先于或后于第一输入端输入信号，忆阻器阻值变化变小，对信号匹配度改变变小。
[0017]控制两端信号匹配方法可以为改变第二输入端和第一输入端脉冲信号的匹配数目。其匹配数目越多，忆阻器阻值变化越大，对信号匹配度改变越大；匹配数目越小，忆阻器阻值变化越小，对信号匹配度改变越小。
[0018]更进一步地，在步骤(2)中，通过改变记忆样本信号和外界刺激信号的匹配脉冲的数目以及所述外界刺激信号的幅值来进行所述记忆样本信号和外界刺激信号的匹配。
[0019]更进一步地，第nXci次输入时，在第一输入端输入三组相同的样本信号，并在第二输入端输入一组外界刺激信号，获得输出电压Vnxcd;
[0020]根据相同的操作方法，在第一输入端输入mXc组记忆样本信号并获得mXc组输出电压，依次为％、v2、……Vnxcd……、vmXc;
[0021]将输出电压根据幅值大小进行排序后划分为三个部分，从而实现了不同记忆样本对于不同外界刺激的多层次识别；
[0022]其中，每组样本信号的脉冲数目均为n，，外界刺激信号的脉冲数目为n，幅值为b，且所述外界刺激信号与第一输入端输入的三组相同的样本信号中的第二组样本信号的时间同步；m为样本信号和刺激信号匹配最大数目，η为一次输入的样本信号和刺激信号的匹配数目；a为刺激信号最大幅值，b为一次输入刺激信号幅值;m ^ η>0, η为整数；a ^ b>0 ；c为所有设计输入幅值的数目，i代表输入幅值为b的一次操作。
[0023]更进一步地，在步骤(2)中，通过改变所述记忆样本信号和所述外界刺激信号的匹配脉冲的数目以及所述外界刺激信号的脉宽来进行所述记忆样本信号和外界刺激信号的匹配。
[0024]更进一步地，在步骤(2)中，通过改变所述记忆样本信号和所述外界刺激信号的匹配脉冲的数目以及所述记忆样本信号和所述外界刺激信号的匹配时间来进行所述记忆样本信号和外界刺激信号的匹配。
[0025]更进一步地，所述第一阈值电压A可以根据使用者所需在输出电压范围内自行设置；所述第二阈值电压B根据使用者所需在输出电压范围内自行设置；但阈值电压A大于阈值电压B。
[0026]本发明通过分别调节忆阻器第二输入端与第一输入端信号脉冲的匹配数目和第二输入端信号脉冲幅值来实现多层次脉冲识别。第一输入端输入信号代表已存储在生物大脑中的样本信号，第二输入端输入信号代表生物大脑接收到外界环境的刺激信号，这种识别方法的原理是通过控制大脑存储的样本信号和外界环境的刺激信号相互匹配，来调控大脑对于外界刺激的识别状态，实现多层次识别技术。能够控制忆阻器两端信号匹配度，控制电路对于刺激信号的识别能力。模拟生物体多层次识别的认知能力。
【附图说明】
[0027]图1是本发明实施例提供的基于忆阻器的多层识别电路的电路图；
[0028]图2是本发明实施例提供多层识别电路中忆阻器的结构图；
[0029]图3是本发明实施例提供的输入信号与忆阻器阻值关系的示意图；
[0030]图4是本发明实施例提供的多层识别电路的一种控制信号匹配的方法；图4A为第二输入端信号脉冲幅值_5V时电路输入输出关系；图4B为第二输入端信号脉冲幅值-4V时电路输入输出关系；图4(:为第二输入端信号脉冲幅值-3V时电路输入输出关系；图40为第二输入端信号脉冲幅值-2V时电路输入输出关系；图4E为第二输入端信号脉冲幅值-1V时电路输入输出关系；
[0031]图5是本发明实施例提供的多层次识别电路的另一控制信号匹配方法；图5A为第二输入端信号脉冲宽度为10ms时电路输入输出关系；图5B为第二输入端信号脉冲宽度为60ms时电路输入输出关系；图5C为第二输入端信号脉冲宽度为30ms时电路输入输出关系;
[0032]图6是本发明实施例提供的多层次识别电路的另一控制信号匹配方法；图6A为第二输入端信号脉冲同时于第一输入端信号时电路输入输出关系；图6B为第二输入端信号脉冲先于第一输入端信号时电路输入输出关系，即ΔΤ〈0 ;图6C为第二输入端信号脉冲后于第一输入端信号时电路输入输出关系，即Δ>0;
[0033]图7是本发明实施例提供的多层次识别电路的另一控制信号匹配方法；图7Α