本發(fā)明涉及非易失性存儲領(lǐng)域，特別是涉及一種基于憶阻器的多值讀寫電路。

背景技術(shù)：

1971年，華裔科學(xué)家蔡少棠教授提出憶阻器的概念，由于該元件的電阻值能隨著流經(jīng)的電荷量的改變而改變，通俗來說，憶阻器能夠記住流經(jīng)它的電荷量，因此，蔡少棠教授將單詞memory和resistor合并為memristor，作為憶阻器的英文名。在提出概念之后的三十幾年里，學(xué)者們對憶阻器的研究進展的十分緩慢。

直到2008年，惠普實驗室發(fā)現(xiàn)了一種納米雙端電阻開關(guān)水平陣列，并在《nature》雜志上發(fā)表論文，稱已制備出世界上首個納米尺寸的tio2憶阻器元件，并且通過實驗證實了該器件的開關(guān)特性與蔡少棠教授所預(yù)測的憶阻器特性相一致，立即引起了眾多學(xué)者和工程師們的濃厚興趣。電氣和電子工程師協(xié)會ieee在其綜述雜志《ieeespectrum》上評價憶阻器是“近25年最偉大的電子器件發(fā)明”，美國著名期刊《times》雜志也對憶阻器給予了高度評價，稱之為“2008年最佳發(fā)明之一”。憶阻器的發(fā)明可以和晶體管的發(fā)明相媲美，是電子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展史上的里程碑。納米級尺寸的憶阻器使人們相信憶阻器是一種可能延續(xù)moore定律的全新候選技術(shù)之一。

由于憶阻器具有體積小、集成度高、功耗低、非易失性等特點，所以更易在一個芯片上封裝更多的憶阻器，憶阻器有可能能夠取代晶體管從而續(xù)寫摩爾定律。憶阻器的最重要的特性就是記憶功能，既可以使用邏輯狀態(tài)表示憶阻器的阻值，又可以用憶阻器阻值的連續(xù)變化的特性來進行多值存儲，所以憶阻器將成為理想的新型存儲材料。

當(dāng)前，關(guān)于憶阻器的高密度非易失性存儲器的研究主要在憶阻器僅存儲1個比特信息的基礎(chǔ)上展開。關(guān)于憶阻器多值存儲的研究還比較少，值得更多的人來投入到憶阻器多值存儲的研究領(lǐng)域上來。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問題，本發(fā)明提供一種四值憶阻器的讀寫電路，基于憶阻器具有阻值可連續(xù)變化的特性，將憶阻器作為四值存儲器，存儲2比特信息，通過設(shè)計相應(yīng)的外圍電路對該存儲單元進行讀寫操作，為達此目的，本發(fā)明提供一種四值憶阻器的讀寫電路，包括憶阻器和對該存儲單元進行讀寫操作的外圍電路，其特征在于：所述憶阻器為四值存儲器，通過等值劃分，分為4個邏輯狀態(tài)，用來存儲2比特信息，所述憶阻器與負(fù)載電阻相串聯(lián)，施加讀取信號，通過讀取負(fù)載電阻上的電壓降，來獲取憶阻器存儲的信息，所述對該存儲單元進行讀寫操作的外圍電路包括四部分組成：第一部分為憶阻器阻值寫入部分電路，由運算放大器op1、憶阻器m、電阻r和輸入電壓vin組成；第二部分為阻抗隔離電路由電阻r1、電阻r2和運算放大器op2構(gòu)成，其中兩r1與r2阻值相等，構(gòu)成電壓跟隨器，其輸入電阻大，輸出電阻??；第三部分為單相整流濾波電路，由二極管d、電阻r3和電容c構(gòu)成；第四部分為求差運算電路，由運算放大器op3、電阻r4、電阻r5和參考電壓vref、分壓電阻r6、r7構(gòu)成的，所求差值反饋到第一部分的運算放大器op1的正向輸入端。

本發(fā)明的進一步改進，憶阻器最終阻值的表達式為：

其中，|vin|為輸入電壓的峰值，憶阻器最終的阻值由參考電壓vref、輸入電壓vin和運算放大器op1負(fù)向輸入端電阻r共同決定，這樣通過相應(yīng)的參數(shù)即可進行對應(yīng)四值憶阻器讀寫。

本發(fā)明的進一步改進，所述對該存儲單元進行讀寫操作的外圍電路還包括一片8線-3線優(yōu)先編碼器74hc148，將負(fù)載電阻上的電壓與四個邊界電壓值進行比較，四個運放輸出了對應(yīng)的比較信號，將四個運放的輸出信號連接74hc148的優(yōu)先級最高的輸入引腳，在74hc148的優(yōu)先級最低的兩個引腳上即可讀出憶阻器所存儲的2比特信息，本發(fā)明還包括一片8線-3線優(yōu)先編碼器74hc148用于讀出憶阻器所存儲的2比特信息。

本發(fā)明一種四值憶阻器的讀寫電路，主要運用反饋的思路提出，該電路由四部分組成：第一部分由運算放大器、憶阻器、電阻和輸入電壓源組成，為憶阻器阻值寫入部分；第二部分由兩個電阻和一個運算放大器構(gòu)成，其中，兩個電阻阻值相等，構(gòu)成典型的電壓跟隨器，其輸入電阻大，輸出電阻小，起阻抗隔離的作用；第三部分是由二極管、電阻和電容構(gòu)成的單相整流濾波電路。第四部分是由運算放大器、電阻和參考電壓源構(gòu)成的求差運算電路，所求差值反饋到第一部分的運算放大器的正向輸入端。本發(fā)明通過給出了四值憶阻器讀寫電路的設(shè)計方案，使得憶阻器多值存儲成為可能，提高了基于憶阻器的存儲電路的存儲密度。

附圖說明

圖1為憶阻器讀取簡單示意圖；

圖2為四值憶阻器存儲信息定義；

圖3為四值憶阻器讀取電路設(shè)計圖；

圖4為四值憶阻器讀取仿真結(jié)果；

(a)憶阻器阻值為4k；

(b)憶阻器阻值為8k；

(c)憶阻器阻值為12k；

(d)憶阻器阻值為16k；

圖5為四值憶阻器阻值寫入電路；

圖6為四值憶阻器阻值寫入仿真結(jié)果，vref＝4v，vin＝5sin(1000t)v；

(a)憶阻器初始阻值為1k；

(b)憶阻器初始阻值為10k；

圖7為四值憶阻器阻值寫入仿真結(jié)果，r＝15kω，vin＝10sin(1000t)v；

(a)憶阻器初始阻值為1k；

(b)憶阻器初始阻值為8k。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明提供一種四值憶阻器的讀寫電路，基于憶阻器具有阻值可連續(xù)變化的特性，將憶阻器作為四值存儲器，存儲2比特信息，通過設(shè)計相應(yīng)的外圍電路對該存儲單元進行讀寫操作。

若圖1中憶阻器電阻的最大值roff＝16kω，最小值ron＝100ω，負(fù)載電阻rx為16kω時，則將憶阻器等間隔劃分為4個區(qū)間后的示意圖如圖2所示。由圖2可知，憶阻器由4個區(qū)間所構(gòu)成，將所得的負(fù)載電阻rx上的電壓值與四個邊界值0.5vo、0.57092vo、0.66528vo和0.79701vo進行比較，即可得到該憶阻器阻值m所處的區(qū)間。舉例來說，當(dāng)憶阻器的阻值m為12kω時，對應(yīng)的負(fù)載電阻rx上的電壓值為0.57143vo，將0.57143vo與0.5vo進行比較，得0.57143vo大于0.5vo；將0.57143vo與0.57092vo進行比較，得0.57143vo大于0.57092vo；將0.57143vo與0.66528vo進行比較，得0.57143vo小于0.66528vo。所以得到，憶阻器阻值m處于01區(qū)間之內(nèi)。

由此，憶阻器阻值讀取電路的總體電路圖如圖3所示，74hc148芯片中，為選通輸入端，低電平有效，因此將接地。輸入端輸出端與選通輸出端擴展輸出端未使用，均懸空處理，為應(yīng)得的輸出電平端。

圖4給出了憶阻器讀取仿真結(jié)果，選取憶阻器阻值為4k、8k、12k、16k的四種情況，對應(yīng)比特信息為00,01,10,11。仿真結(jié)果與實際情況相一致。

本發(fā)明采納模擬電子技術(shù)中反饋的思想，提出了一種新的憶阻器阻值寫入方式。依據(jù)反饋的思想，當(dāng)憶阻器阻值大于設(shè)定的阻值時，輸出端應(yīng)返回一個負(fù)反饋，從而使憶阻器的阻值減?。划?dāng)憶阻器阻值小于設(shè)定的阻值時，輸出端應(yīng)返回一個正反饋，進一步加速憶阻器阻值的增大。直至憶阻器與設(shè)定的值相等時，輸出端不再返回反饋信號，電路達到穩(wěn)定狀態(tài)，憶阻器阻值保持不變。據(jù)此，給了圖5所示的憶阻器阻值寫入電路。

該寫入電路由4部分組成：第一部分由運算放大器op1、憶阻器m、電阻r和輸入電壓vin組成，為憶阻器阻值寫入部分；第二部分由電阻r1、電阻r2和運算放大器op2構(gòu)成，其中，r1與r2阻值相等，為典型的電壓跟隨器，其輸入電阻大，輸出電阻小，起阻抗隔離的作用；第三部分是由二極管d、電阻r3和電容c構(gòu)成的單相整流濾波電路。第四部分是由運算放大器op3、電阻r4、電阻r5和參考電壓vref、分壓電阻r6、r7構(gòu)成的求差運算電路，所求差值反饋到運算放大器op1的正向輸入端。

該憶阻器阻值寫入電路的工作原理為：輸入電源vin的頻率設(shè)置的比較高，由憶阻器的頻率特性可知，輸入電壓vin不會改變憶阻器的阻值。輸入的交流信號經(jīng)過電阻r1、憶阻器m，在運算放大器op1的輸出端形成一個交流電壓信號vop1。信號vop1流經(jīng)電壓跟隨器之后生成一個相同的交流電壓信號vop2。交流電壓信號vop2經(jīng)過二極管d之后，在電阻r3與電容c的上端產(chǎn)生一個直流電壓信號vc(t)。運算放大器op3的負(fù)向輸入端的電壓為根據(jù)運放的虛短特性，運算放大器op3的正向輸入端的電壓也為所以，運算放大器op3的輸出端電壓為：

令r4＝r5＝r6＝r7，則vop3(t)＝vref-vc(t)。暫時將輸入電壓vin視為短路，不考慮vin對電路的影響。若vref>vc(t)，則反饋電壓為正，產(chǎn)生由運算放大器op1輸出端流經(jīng)憶阻器流向電阻r的電流，該電流使憶阻器阻值增大，從而使得電壓vop1、vop2的幅值增大，vc(t)變大；若vref<vc(t)，則反饋電壓為負(fù)，產(chǎn)生由電阻r流經(jīng)憶阻器流向運算放大器op1輸出端的電流，該電流使憶阻器阻值減小，從而使得電壓vop1、vop2幅值變小，vc(t)變小；當(dāng)vref＝vc(t)時，反饋電壓為零，施加在憶阻器兩端的只有高頻的輸入電壓信號vin，由于vin不會改變憶阻器的阻值，所以，該電路進入穩(wěn)態(tài)，憶阻器阻值保持不變。

當(dāng)該憶阻器阻值寫入電路進入穩(wěn)態(tài)之后，反饋電壓vop3(t)保持為零，所以vop1的表達式應(yīng)為：

從而二極管d的正向輸入端的交流電壓為所以，電容c上的電壓表達式為：

vc＝|vop1|-vdth-ξ；

式中，|vop1|電壓vop1的峰值電壓，vdth為二極管d的正向?qū)妷?硅二極管一般為0.7v，鍺二極管一般為0.3v)，ξ為一常數(shù)，代表其他的電壓損耗，一般取值較小。由于穩(wěn)態(tài)時vref＝vc(t)，所以，|vop1|＝vref+vdth+ξ；

憶阻器最終阻值的表達式為：

其中，|vin|為輸入電壓的峰值。從式中可以看出，憶阻器最終的阻值由參考電壓vref、輸入電壓vin和運算放大器op1負(fù)向輸入端電阻r共同決定。因此，通過合理地設(shè)置該三個變量的取值，即可對憶阻器寫入期望的信息。

由于憶阻器的最終阻值受參考電壓vref、輸入電壓vin和運算放大器op1負(fù)向輸入端電阻r共同決定，所以，首先讓vref、vin取固定值，令vref＝4v，vin＝5sin(1000t)v，可得：r＝3kω時，憶阻器最終阻值m≈3kω，可代表00狀態(tài)；r＝5kω時，憶阻器最終阻值m≈5kω，可代表01狀態(tài)；r＝10kω時，憶阻器最終阻值m≈9.6kω，可代表10狀態(tài)；r＝13kω時，憶阻器最終阻值m≈12.4kω，可代表11狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖6所示，結(jié)果正確。

同理，通過改變參考電壓vref也可實現(xiàn)憶阻器4種阻值的寫入操作。令r＝15kω，vin＝10sin(1000t)v，可得：vref＝1v時，憶阻器最終阻值m≈2.7kω，可代表00狀態(tài)；vref＝3v時，憶阻器最終阻值m≈5.7kω，可代表01狀態(tài)；vref＝6v時，憶阻器最終阻值m≈10.2kω，可代表10狀態(tài)；vref＝9v時，憶阻器最終阻值m≈14.7kω，可代表11狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖7所示，結(jié)果正確。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作任何其他形式的限制，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)所作的任何修改或等同變化，仍屬于本發(fā)明所要求保護的范圍。