利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路及其设计方法技术

本发明专利技术属于一般编码、译码或代码转换技术领域，公开了利用混合CMOS‑忆阻器模糊逻辑门电路及其设计方法，包括基于墨滴扩散的模糊逻辑的建立过程、忆阻器的选型设计及仿真、逻辑门电路的设计、逻辑门电路的仿真。本发明专利技术利用自旋忆阻器纳米级尺寸、比HP忆阻器更快的响应速度、极低的硬件实现成本，构建基于自旋忆阻器的交叉阵列电路，采用墨滴扩散式模糊推理方法，结合CMOS元件设计了可以在模糊系统领域应用的模糊逻辑“与”、“或”、“非”、“与非”、“异或”门电路；本发明专利技术验证了所设计门电路的正确性和可行性，填补了模糊逻辑硬件电路无可以简单实现并可以扩展的门电路的空缺，为模糊系统及模糊神经网络大研究奠定了基础。

Fuzzy Logic Gate Circuit Using Hybrid CMOS-memristor and Its Design Method

The invention belongs to the field of general coding, decoding or code conversion technology, and discloses a hybrid CMOS memristor fuzzy logic gate circuit and its design method, including the establishment process of fuzzy logic based on ink droplet diffusion, the selection design and Simulation of memristor, the design of logic gate circuit and the simulation of logic gate circuit. The invention utilizes nano-scale size of spin memristor, faster response speed than HP memristor, and very low hardware implementation cost to construct a cross-array circuit based on spin memristor, adopts ink droplet diffusion type fuzzy reasoning method, and combines CMOS components to design a fuzzy logic \AND\, \OR\, \NOR\, \XOR\ gate which can be applied in the field of fuzzy system. The invention verifies the correctness and feasibility of the designed gate circuit, fills the vacancy of the gate circuit which can not be easily realized and expanded by the fuzzy logic hardware circuit, and lays a foundation for the large-scale research of the fuzzy system and the fuzzy neural network.

【技术实现步骤摘要】
利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路及其设计方法
本专利技术属于一般编码、译码或代码转换
，尤其涉及利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路及其设计方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：模糊逻辑是Zadeh教授在1965年提出的。他是传统明确集合理论的扩展，该理论能够通过隶属函数来处理语言信息，也被认为是最接近人脑的智能系统。目前，模糊理论广泛应用于自动控制和专家系统中，且模糊系统的应用领域也在不断扩展，因此研究者们都热衷于找到一种可行的方法来实现一套能够实时运行的完整高速有效的模糊系统。文献AnimplementationoffuzzylogiccontrolleronthereconfigurableFPGAsystem中利用利用可重构的现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)，其中用到了用于超大规模集成电路(VLSI)的微型控制器和计算辅助工具。Yamakawa和Miki用基于电流模式的模拟CMOS实现了模糊推理系统。Huertas等在文献BuildingBlocksforCurrent-ModeImplementationofVLSIFuzzyMicrocontrollers中集合模拟和数字技术设计了一种模糊微控制器，并提供了一个同外部相连接的电压接口。以上文献中的实现方法耗费大量的硬件资源且运算速度较低。传统的模糊系统将语言信息在数字系统中进行处理，隶属函数在表示语言变量时需要转化为二值编码，随着对数据精度越来越高的要求，数据编码的位数也越来越大，势必会损失一定的计算速度。数字系统在解决精度和速度这两个相对矛盾的问题上显得尤为乏力，人们自然而然的想到使用计算速度更快的模拟电路来解决以上矛盾。取极大(maximum)和极小(minimum)函数是模糊逻辑里面最重要的部分，因为模糊推理里面的取极大和极小函数在模糊控制里面意义重大。而为了实现模糊推理中的极大极小函数，这就需要建立起求多输入信号的极大极小电路。模拟VLSI电路因其更容易用来实现算数运算更适合用来构建模糊推理系统。而在模拟电路的设计理论里有基于电流和电压模式可以用来直接实现模糊算子里面的算术运算。电压模式和电流的区别在于输入和输出值是电压或者电流。文献DesignandanalysisofnovelfuzzifercircuitsinCMOScurrentmodeapproach设计和分析了一种模糊电路可以将输入信号进行模糊化输入如高斯隶属函数。文献Fuzzymultiple-inputmaximumandminimumcircuitsincurrentmodeandtheiranalysesusingbounded-differenceequations设计了一种基于电流的求极大和极小电路模型，文中主要采用COMS原件，但电路复杂度较高，应用范围较小。忆阻器是一种具有可变电阻的无源元件，忆阻器可以用于存储，神经形态计算和模拟电路设计等。已有文献文利用基于HP模型忆阻器的阈值特性和高低阻态的开关特性，用忆阻器设计了一种逻辑运算电路，但该电路不能存储运算的结果。文献‘Memristive’switchesenable‘stateful’logicoperationsviamaterialimplication设计了一种基于忆阻器的蕴含逻辑门实现了异或逻辑和全加器电路是对其它布尔逻辑的补充。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)随着对计算精度的要求越来越高，硬件规模越来越大，导致系统可靠性降低，且功耗增加；(2)高精度直接导致数字信号的位数增加，使得系统的计算速度大大降低；(3)摩尔定律接近极限，单靠标准的硅材料技术，计算能力无法维持快速的指数倍增长。解决上述技术问题的难度和意义：基于以上技术难题，单用数字系统来解决似乎已经变得越来越难。模拟系统具有精度高，计算速度快，节约硬件资源等优势，本专利技术拟利用忆阻器阻值连续变化的特点来存储模拟信号，且忆阻器具有体积小，集成度高、非易失性低功耗等优势。但本专利技术的难度是模拟信号的处理和控制难度较数字信号更高，容错性较低，在设计该系统时如何有效的解决这些因素显得尤为重要。目前，模糊逻辑实现手段依然是基于数字信号的软件处理方式，本专利技术设计的基于CMOS-忆阻器的模糊逻辑门电路提高了系统的可靠性，且计算速度更快，体积更小，且功耗更低，为模糊逻辑处理提供了一种硬件实现的可能。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路及其设计方法。本专利技术是这样实现的，一种利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路的设计方法，所述利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路的设计方法包括：步骤一，通过墨滴扩散方法构建模糊关系；步骤二，通过模糊关系实现模糊推理；步骤三，选择忆阻器；步骤四，建立能够实现基于墨滴扩散的模糊推理方法的忆阻器的交叉阵列结构；步骤五，利用基于自旋忆阻器的交叉阵列构建模糊逻辑门电路；步骤六，对构建的模糊逻辑门电路利用LtspiceIV电路图进行仿真。进一步，所述步骤一中，墨滴扩散方法的建立包括：N个模糊训练数据对，每一个输入输出训练数据就组成了一个单输入单输出模糊系统的两个模糊数：用X'和Y'来表示；第i个模糊训练数据就可以表示为{X'iY'I},其中式中X和Y是论域，和分别是模糊数X’和Y’的隶属函数，那么可以得到输入和输出的模糊关系为：模糊关系的更新方式为根据训练数据的依次输入，迭代更新，更新表达式：其中{X'new,Y'new}是新的输入和输出训练数据；灰度图像表示二值的模糊关系，坐标(xi,yi)内像素的强度同模糊关系uR(x,y)的大小成正比，图中像素强度越大则颜色越深。进一步，所述步骤二中模糊推理包括：使用墨滴扩散方法构建的y＝-0.5·x2+8·x,x∈(0,10),y∈(0,40)函数的模糊关系曲面，当输入一个测试数据xi＝4时，输出为由x＝xi的平面与模糊关系曲面相交的一条曲线乘以xi＝4的隶属度表达式为当输入为一个模糊数时，输入为离散的隶属度函数，则输出表示为：进一步，所述步骤三中忆阻器的等效电路建立包括：D、h、z分别为器件的长、高与宽，w为畴壁的宽度，rL表示整个忆阻器处于低阻态时每单位长度的阻值，rH表示高阻态时单位长度的阻值，忆阻器的阻值等效表达式为：M(x)＝[rHx+rL(D-x)]；x为畴壁移动的距离，x同电流强度J成正比，表达式为：其中Γv为比例系数，其大小与器件的结构和材料的自然特性有关，表达式为：P为材料的磁化率，uB为玻尔兹曼常数，e为基本元电荷，Ms为饱和磁化度。e与uB为常数，P与Ms的大小只与材料有关；得到忆阻器的组织同电量的关系式表示为：M(q)＝[rL·D+(rH-rL)Γq(t)]；其中用来代替器件的比例系数同横截面积的比值。进一步，所述步骤四中，交叉阵列结构的构建包括：在任意时刻这个求和电路的输出Sum(t)的表达式：其中vi(t)是用电压表示的连接第i条垂直线的输入信号，用标准运算放大电路分析方法，得出连接第j行的运算放大器的输出表达式为：其中Mij(t)是当前时刻在坐标(i，j)的忆阻值，当前储存在坐标(i,j)的值ΔMij(t)的表达式为：ΔMij(t)＝Roff-Mij(t),j:1≤j≤n本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用混合CMOS‑忆阻器模糊逻辑门电路的设计方法，其特征在于，所述利用混合CMOS‑忆阻器模糊逻辑门电路的设计方法包括：步骤一，通过墨滴扩散方法构建模糊关系；步骤二，通过模糊关系实现模糊推理；步骤三，选择忆阻器；步骤四，建立能够实现基于墨滴扩散的模糊推理方法的忆阻器的交叉阵列结构；步骤五，利用基于自旋忆阻器的交叉阵列构建模糊逻辑门电路；步骤六，对构建的模糊逻辑门电路利用LtspiceIV电路图进行仿真。

【技术特征摘要】
1.一种利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路的设计方法，其特征在于，所述利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路的设计方法包括：步骤一，通过墨滴扩散方法构建模糊关系；步骤二，通过模糊关系实现模糊推理；步骤三，选择忆阻器；步骤四，建立能够实现基于墨滴扩散的模糊推理方法的忆阻器的交叉阵列结构；步骤五，利用基于自旋忆阻器的交叉阵列构建模糊逻辑门电路；步骤六，对构建的模糊逻辑门电路利用LtspiceIV电路图进行仿真。2.如权利要求1所述的利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，墨滴扩散方法的建立包括：N个模糊训练数据对，每一个输入输出训练数据就组成了一个单输入单输出模糊系统的两个模糊数：用X'和Y'来表示；第i个模糊训练数据就可以表示为{X'iY'I},其中式中X和Y是论域，和分别是模糊数X′和Y′的隶属函数，那么可以得到输入和输出的模糊关系为：模糊关系的更新方式为根据训练数据的依次输入，迭代更新，更新表达式：其中{X'new,Y'new}是新的输入和输出训练数据；灰度图像表示二值的模糊关系，坐标(xi,yi)内像素的强度同模糊关系uR(x,y)的大小成正比，图中像素强度越大则颜色越深。3.如权利要求1所述的利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路的设计方法，其特征在于，所述步骤二中模糊推理包括：使用墨滴扩散方法构建的y＝-0.5·x2+8·x,x∈(0,10),y∈(0,40)函数的模糊关系曲面，当输入一个测试数据xi＝4时，输出为由x＝xi的平面与模糊关系曲面相交的一条曲线乘以xi＝4的隶属度表达式为当输入为一个模糊数时，输入为离散的隶属度函数，则输出表示为：4.如权利要求1所述的利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路的设计方法，其特征在于，所述步骤三中忆阻器的等效电路建立包括：D、h、z分别为器件的长、高与宽，w为畴壁的宽度，rL表示整个忆阻器处于低阻态时每单位长度的阻值，rH表示高阻态时单位长度的阻值，忆阻器的阻值等效表达式为：M(x)＝[rHx+rL(D-x)]；x为畴壁移动的距离，x同电流强度J成正比，表达式为：其中Γv为比例系数，其大小与器件的结构和材料的自然特性有关，表达式为：P为材料的磁化率，uB为玻尔兹曼常数，e为基本元电荷，Ms为饱和磁化度；e与uB为常数，P与Ms的大小只与材料有关；得到忆阻器的组织同电量的关系式表示为：M(q)＝[rL·D+(rH-rL)Γq(t)]；其中用来代替器件的比例系数同横截面积的比值。5.如权利要求1所述的利用混合CMOS-忆阻器模糊逻辑门电路的设计方法，其特征在于，所述步骤四中，交...

【专利技术属性】
技术研发人员：李天舒，段书凯，王丽丹，谭金沛，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50