专利名称：基于负反馈思想的忆阻器阻值状态控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机及电子信息技术领域，特别涉及一种忆阻器阻值状态控制电路结构。
背景技术：
能效水平是困扰当今嵌入式设备应用的关键所在。一方面，随着人们对应用要求的不断增加，越来越多复杂的算法被提出，所需的计算能力爆炸性增长；另一方面，由于便携性的要求，嵌入式系统仅能提供有限的能源供应。于是，为了同时满足便携性与计算能力的要求，人们对嵌入式系统的能效水平提出了越来越高的要求。然而，当今数字系统的能效水平已越来越难以满足人们的需求，人们不得不将目光逐渐转向新型非数字计算系统。数模混合计算系统正是潜在的高能效解决方案之一，通过有效结合具有极高能效水平的模拟计算单元和具有成熟设计流程的数字系统，数模混合系统可以充分发挥数字与模拟两种电子系统的优点，大幅度提升系统的能效水平。遗憾的是，数模混合系统的潜力尚未能得到良好的挖掘。其中问题主要来自于模拟电路，例如:模拟电路的数值运算并不像数字系统那样灵活，无法很好地完成许多复杂的代数运算；模拟量尚没有有效的存储方法，而如果采用数字存储+AD/DA的方案会增加大量额外的功耗开销，会大大降低系统的能效收益等问题。幸运的是，忆阻器的出现为模拟电路的上述问题提供了潜在的解决方法。忆阻器(Memristor)是由加州大学伯克利分校蔡少棠教授于1971年提出相关理论，并于2008年由惠普实验室首次物理实现的新型电路元件。由于其体积小，功耗低，特别是其阻值状态会随通过电流 而发生变化的特点吸引了人们极大的关注。忆阻器是解决模拟电路上述问题的潜在方法。例如，使用忆阻器构造交叉阵列(Crossbar)，可以实现矩阵乘法进而实现函数拟合，因此可以完成复杂的函数计算功能，极大地提高了模拟计算的灵活性。此外，由于忆阻器类似于电阻，通过设计忆阻器的阻值状态与模拟量(如电流、电压)间的映射关系，可以有效地实现模拟量的存储，并可以将这种模拟存储器作为基本单元方便地使用在几乎所有的电路之中。虽然忆阻器具有许多优点，但是目前尚未出现较为理想的忆阻器的阻值控制方 案° Shin, S., et al.^Memristor applications for programmable analogICs."Nanotechnology, IEEE Transactions onlO, n0.2 (2011): 266-274.中提出了米用电压脉冲来调整忆阻器阻值的方案，通过调整电压脉冲的数量来将忆阻器阻值调整到不同状态。虽然该方案原理简单易于实现，但是其控制精度较差，一般仅能达到4 5bit。此外，Yi,ff., et al."Feedback write scheme for memristive switching devices."AppliedPhysics A:Materials Science&Processingl02, n0.4(2011):973-982.中提出了另一种电路结构，其原理在于通过提供大量参考电阻，使忆阻器的阻值状态尽量的去贴近这些参考电阻的阻值，因此极大的提高了控制精度，通常可以达到8 9bit以上的准确度。然而，该方案所需的参考电阻数量也随控制精度而指数提高，例如为达到8-bit的精度一般需要256个参考电阻，因此该方案的电路尺寸过大，难以有效集成。总而言之，目前尚未出现一种较为理想的忆阻器阻值状态控制方案与电路结构。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种控制精度好、电路尺寸小且组织控制速度高的忆阻器阻值状态控制电路结构。根据本发明实施例的忆阻 器阻值状态控制电路结构，包括:第一电流负反馈运放0P1，用于进行阻值控制；第二电流负反馈运放0P2，用于进行电压减法计算；正弦波发生器Vsin，用于提供所需输入信号；包络检测单元，所述包络检测单元包括第一二极管D1和电容C，用于提取正弦电压最大值；阻值状态待调控的忆阻器M(t)，串联于第一电流负反馈运放0P2负输入端与第一电流负反馈运放0P2输出端之间，其阻值最终状态由输入控制电压Vin决定；第一电阻R1，串联于正弦波发生器Vsin与忆阻器M(t)之间，形成电流负反馈，防止正弦波发生器短路；第二电阻R2,串联于控制信号Vin与第二电流负反馈运放0P2正输入端之间，与R3共同形成Vin分压电路，同时防止Vin短路；第三电阻R3,使第二负反馈运放0P2正输入端经R3接地，与R2共同形成Vin分压电路；第四电阻R4,串联于包络检测单元的D1的负极性端与第二电流负反馈运放0P2负输入端之间，与R2、R3、R5共同组成模拟电压减法器；以及第五电阻R5，第二电流负反馈运放0P2负输入端与第二电流负反馈运放0P2输出端之间，与民為、1 4共同组成模拟电压减法器，其中第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻之间的阻值关系为R2=R4且R3=R5。在本发明的一个实施例中，当所述第一电流负反馈运放OPl的正输入端接地或输入电压为O时，所述忆阻器的阻值状态用通过所述第一电流负反馈运放OPl的输出电压Vm表示，其值为:
权利要求
1.一种基于负反馈思想的忆阻器阻值状态控制电路，其特征在于，包括: 第一电流负反馈运放0P1，用于进行阻值控制； 第二电流负反馈运放0P2，用于进行电压减法计算； 正弦波发生器Vsin，用于提供所需输入信号； 包络检测单元，所述包络检测单元包括第一二极管D1和电容C，用于提取正弦电压最大值； 阻值状态待调控的忆阻器M(t)，串联于第一电流负反馈运放0P2负输入端与第一电流负反馈运放0P2输出端之间，其阻值最终状态由输入控制电压Vin决定； 第一电阻R1，串联于正弦波发生器Vsin与忆阻器M(t)之间，形成电流负反馈，防止正弦波发生器短路； 第二电阻R2,串联于控制信号Vin与第二电流负反馈运放0P2正输入端之间，与R3共同形成Vin分压电路，同时防止Vin短路； 第三电阻R3,使第二负反馈运放0P2正输入端经R3接地，与R2共同形成Vin分压电路；第四电阻R4,串联于包络检测单元的D1的负极性端与第二电流负反馈运放0P2负输入端之间，与R2、R3、R5共同组成模拟电压减法器；以及 第五电阻R5，第二电流负反馈运放0P2负输入端与第二电流负反馈运放0P2输出端之间，与R2、R3、R4共同组成模拟电压减法器， 其中第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻之间的阻值关系SR2=R4且&=1 5。
2.如权利要求1所述的基于负反馈思想的忆阻器阻值状态控制电路，其特征在于，当所述第一电流负反馈运放OPl的正输入端接地或输入电压为0时，所述忆阻器的阻值状态用通过所述第一电流负反馈运放OPl的输出电压Vm表示，其值为: vOP1(0 = -/, (0 M{,) = -^xvinCO。
3.如权利要求2所述的基于负反馈思想的忆阻器阻值状态控制电路，其特征在于，输入参考电压为正弦小信号Vsin，所述输入参考电压用于减小参考电压对所述忆阻器阻值变化的影响。
4.如权利要求1所述的基于负反馈思想的忆阻器阻值状态控制电路，其特征在于，由所述第一二极管D1及电容C组成的所述包络检测单元将所述第一负反馈运放OPl输出的正 M(t)弦f■号整流为直流电压，其幅度为:Vc (0 - X Pl(max) (0 _ , ~ R一XX>in(max) Dluhj，其中％1(叫代表所述第一二极管D1的管压降。
5.如权利要求1所述的基于负反馈思想的忆阻器阻值状态控制电路，其特征在于，当R2=R4且R3=R5时，所述第二电流负反馈运放0P2输出的电压Vtff2为所述包络检测单元输出 w t 、 Il电压与输入电压之差，其值为:VOP2(0 =。 4
6.如权利要求1所述的基于负反馈思想的忆阻器阻值状态控制电路，其特征在于，所述第二电流负反馈运放0P2的输出电压反馈输入到所述第一电流负反馈运放OPl的正输入端。
7.如权利要求6所述的基于负反馈思想的忆阻器阻值状态控制电路，其特征在于，所述第二电流负反馈运放0P2的输出电压负反馈调节所述忆阻器的阻值，反馈稳定时，所述 忆阻器的最终阻值状态Mfinal为
全文摘要
本发明提出了一种忆阻器阻值状态控制电路结构，包括第一电流负反馈运放，用于进行阻值控制；第二电流负反馈运放，用于进行电压减法计算；正弦波发生器，用于提供所需输入信号；包络检测单元，包括第一二极管和电容，用于提取正弦电压最大值；阻值状态待调控的忆阻器，串联于第一电流负反馈运放负输入端与第一电流负反馈运放输出端之间，其阻值最终状态由输入控制电压决定；以及第一电阻至第五电阻。本发明利用负反馈思想，提高了忆阻器阻值状态的控制精度，并具有良好的电路尺寸与阻值控制速度。
文档编号H03G3/20GK103199813SQ20131015334
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月27日 优先权日2013年4月27日
发明者李伯勋, 汪玉, 单羿, 杨华中 申请人:清华大学