[发明专利]一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及可编程芯片领域，特别是一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路及其实现方法。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于Memristor/MOSFET的可编程电路及其实现方法，电路结构简单，通过忆阻器与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。

本发明的电路采用以下方案实现：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。

本发明的方法采用以下方案实现：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：

其中，I_D为NMOS管的漏极电流，u_n为电子迁移速率，C_ox为单位面积氧化层电容，W为沟道宽度，L为沟道的长度，V_GS为NMOS管栅源极之间的电压，V_TH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提供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；R_on与R_off为模型在开启状态即氧化物全为TiO_2-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，f(x)为窗函数；