一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路，包括忆阻器阻值控制模块、忆阻器、系统电路；所述忆阻器阻值控制模块包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4，所述第一NMOS管M1的栅极与所述第一NMOS管M1的漏极、所述第二NMOS管M2的栅极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的第一编程输入端口，所述第三NMOS管M3的栅极与所述第四NMOS管M4的栅极、所述第四NMOS管M4的漏极相连，所述第一NMOS管M1的源极与所述第三NMOS管M3的漏极相连，所述第二NMOS管M2的漏极与所述第四NMOS管M4的源极相连。通过忆阻器（Memristor）与MOS管结合使用，使编程电压能够产生改变忆阻器阻值的稳定电流，发挥忆阻器阻值可变及非易失特性，达到可编程的效果。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及可编程芯片领域，特别是一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路。
技术介绍
可编程芯片在目前市场中应用十分广泛，它通过软硬件结合的方式使得工程师们可以通过软件编程的方式改变芯片内部的电路结构，从而实现调节电路输出频率、带宽、增益等功能。传统的可编程芯片主要使用大量的MOSFET搭建复杂的电路系统，通过编程电压控制MOSFET的开关从而实现编程的目的，比如MCU、CPLD、FPGA、DSP、MPU。芯片成本与芯片面积息息相关，而传统的可编程芯片电路复杂、面积巨大，造价很高，设计难度大。随着新型微电子器件的出现，利用新器件和传统MOS器件结合研发高性能可编程电路成为目前微电子技术发展的一个重要研究方向。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的目的是提供一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路，电路结构简单。本技术采用以下方案实现：一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路，包括忆阻器阻值控制模块、忆阻器、系统电路；所述忆阻器阻值控制模块包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4，所述第一NMOS管M1的栅极与所述第一NMOS管M1的漏极、所述第二NMOS管M2的栅极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的第一编程输入端口，所述第三NMOS管M3的栅极与所述第四NMOS管M4的栅极、所述第四NMOS管M4的漏极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的第二编程输入端口，所述第一NMOS管M1的源极与所述第三NMOS管M3的漏极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的加阻值输出端口，所述第二NMOS管M2的漏极与所述第四NMOS管M4的源极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的减阻值输出端口，所述第二NMOS管M2的源极与所述第三NMOS管M3的源极均接地；所述忆阻器阻值控制模块的第一编程输入端口与第二编程输入端口用以接入编程电压，所述忆阻器阻值控制模块的加阻值输出端口与减阻值输出端口分别与所述忆阻器的两端相连，所述忆阻器的两端分别连接至所述系统电路的两个输入端口。进一步地，所述第一NMOS管M1、第四NMOS管M4均采用二极管连接方式。较佳的，将输入编程电压输入所述忆阻器阻值控制模块的第一编程输入端口以及第二编程输入端口，分别控制第一NMOS管M1、第二NMOS管M2以及第三NMOS管M3、第四NMOS管M4的关断与电流的流向，采用脉冲对所述忆阻器进行编程，其中脉冲幅度、周期及占空比根据系统电路需求来调整。进一步地，所述第一NMOS管M1与所述第四NMOS管M4采用二极管连接方式，用以使第一NMOS管M1、第四NMOS管M4始终工作在饱和区，其电流不随漏源电压改变而变化，其中电流值的计算采用下式：ID=12unCoxWL(VGS-VTH)2;]]>其中，ID为NMOS管的漏极电流，un为电子迁移速率，Cox为单位面积氧化层电容，W为沟道宽度，L为沟道的长度，VGS为NMOS管栅源极之间的电压，VTH为NMOS管的阈值电压。进一步地，所述第一编程输入端与所述第二编程输入端输入的编程电压V1,V2为NMOS管的工作电压。忆阻器作为新一代电子器件，以其可记忆电阻和纳米级别尺寸等优点备受关注。忆阻器具有结构简单、同CMOS电路兼容性良好、可集成性高、功耗低等优势，在高密度非易失性存储器、人工智能、图像处理、逻辑运算、RFID、云计算、模拟神经元突触、控制系统、信号处理等方面有巨大的应用潜能。其中忆阻器的模型如图1所示。忆阻器某时刻的电阻与之前流过的电流有关，内部结构表现为掺杂区和非掺杂区的比例决定其当前的阻值。用x表示掺杂区与非掺杂区边界的位置，D表示氧化钛层的宽度；Ron与Roff为模型在开启状态即氧化物全为TiO2-n和关断状态即氧化物全为TiO2时的电阻。忆阻器某时刻掺杂区与非掺杂边界的位置x与流经的电流相关,同时x的值决定了此刻的阻值，相关公式如下：x(t)=∫ki(t)f(x)dt,k=uvRonD2,]]>f(x)为窗函数；Rmem(t)=Ronx+Roff(1+x)x=wD∈[0,1];]]>忆阻器的记忆性通过TiO2与TiO2-n之间的转换体现出来。在当电流正向流过器件，氧原子在电压作用下由TiO2-n层漂移至TiO2层，使得一定厚度的TiO2变化为TiO2-n。在这样的变化下，器件的导电性不断增强，而器件的电阻随之减小。而当器件两端加上一负方向电压时，氧原子在电压作用下由TiO2漂移至TiO2-n，一定厚度的TiO2-n变化为TiO2。由此器件的导电性不断减弱，器件电阻也随之增大。此外，实验研究发现，当忆阻器两端电压小于某一阈值电压时，杂质迁移速率很小甚至为0，此时器件两端的电场不足以使杂质发生大规模迁移，忆阻器表现为线性电阻；当忆阻器两端电压大于阈值电压时，电场随之不断增强，杂质迁移速率开始呈指数增加，忆阻器阻值出现变化。这一现象如图2所示，对忆阻器添加激励V(in)＝2sin(t)(V)，设置阈值电压Vt＝0.5V。当|V(in)|＞Vt时，忆阻器将阻值随着流经的电流而变化。本技术基于这一现象提出了一种基于忆阻器的可编程电路设计思路以及忆阻器阻值控制电路。可编程电路系统由忆阻器阻值控制电路、忆阻器、系统电路三部分组成，如图3所示。忆阻器阻值控制电路由4个NMOS管组成，如图4所示。较佳的，本技术提出的可编程电路是利用忆阻器阻值在编程电压的控制下根据系统需求进行相应变化，从而达到控制系统输出参量的可编程效果。在此基础上，本技术进一步提出的忆阻器阻值控制电路是利用MOS管的开关特性以及二极管连接方式产生改变忆阻器阻值的电流。本技术的忆阻器阻值控制电路采用4个NMOS管M1、M2、M3、M4，V1、V2是编程输入端口，分别控制两个NMOS管的关断与电流的流向。M1、M4采用二极管连接方式，二极管连接方式可使M1、M4始终工作在饱和区，其电流不随漏源电压改变而变化，其电流值可根据MOS管饱和区电流公式进行粗略计算，这种方法可帮助量化忆阻器阻值的变化量。本技术采用的编程电压V1、V2同时也是NMOS管工作电压，采用脉冲对忆阻器进行编程，脉冲幅度、周期及占空比可根据系统电路需求来调整。本技术与传统的编程电路相比，只需使用4个NMOS管，电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路，其特征在于：包括忆阻器阻值控制模块、忆阻器、系统电路；所述忆阻器阻值控制模块包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4，所述第一NMOS管M1的栅极与所述第一NMOS管M1的漏极、所述第二NMOS管M2的栅极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的第一编程输入端口，所述第三NMOS管M3的栅极与所述第四NMOS管M4的栅极、所述第四NMOS管M4的漏极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的第二编程输入端口，所述第一NMOS管M1的源极与所述第三NMOS管M3的漏极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的加阻值输出端口，所述第二NMOS管M2的漏极与所述第四NMOS管M4的源极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的减阻值输出端口，所述第二NMOS管M2的源极与所述第三NMOS管M3的源极均接地；所述忆阻器阻值控制模块的第一编程输入端口与第二编程输入端口用以接入编程电压，所述忆阻器阻值控制模块的加阻值输出端口与减阻值输出端口分别与所述忆阻器的两端相连，所述忆阻器的两端分别连接至所述系统电路的两个输入端口。

【技术特征摘要】
1.一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路，其特征在于：包括忆阻器阻值控制模块、忆阻器、系统电路；所述忆阻器阻值控制模块包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3、第四NMOS管M4，所述第一NMOS管M1的栅极与所述第一NMOS管M1的漏极、所述第二NMOS管M2的栅极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的第一编程输入端口，所述第三NMOS管M3的栅极与所述第四NMOS管M4的栅极、所述第四NMOS管M4的漏极相连并作为所述忆阻器阻值控制模块的第二编程输入端口，所述第一NMOS管M1的源极与所述第三NMOS管M3的漏极相连并作为所述忆阻器阻值控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏榕山，李睿，林汉超，张鑫刚，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：新型
国别省市：福建;35