利用阻變器件實現積分運算方法
2023-05-09 04:43:26
專利名稱：利用阻變器件實現積分運算方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成電路及其製造技術領域，特別涉及一種利用阻變器件實現積分運算方法。
背景技術：
積分器是有源濾波器件中的重要部件，傳統的計算電路通常是利用RC有源積分器或MOS SC積分器來實現積分運算。但是一方面RC積分器電路中要獲得精確的電容很難，另一方面雖然SC積分電路可以用實現精確的電容比來解決這個問題，但是這種積分電路的缺點是寄生電容影響較大而且電路結構複雜。積分計算是較為複雜的過程，但利用類似大腦神經元及網絡的方法實現多值積分及存儲將具有更高的效率和更簡單的結構，是未來信息科學發展的一個重要方向。目前已經提出實現多值存儲和計算的多種方法，但是這些方法通常需要很複雜的電路結構。出於對高性能、高集成度的需求，我們希望新型的積分器具有結構簡單、高速、低操作電壓和電流、工藝兼容、成本低廉等優點，但當前仍沒有能夠滿足上述條件的積分器出現。
發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何實現結構簡單、高速、低操作電壓和電流、工藝兼容、以及成本低廉的積分器。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種利用阻變器件實現積分運算方法，包括以下步驟SI :對時域連續的待輸入信號按照預設時間間隔進行時間採樣；S2 :對阻變器件進行復位操作，以使得所述阻變器件的電阻值為初始電阻值；S3 :將時間採樣後的待輸入信號輸入所述阻變器件的陽電極；S4 :所述待輸入信號輸入完成後，在所述阻變器件的陽電極上輸入預設電壓；S5 :讀取所述阻變器件上的電流值；S6 :根據所述預設電壓和讀取的電流值，計算獲得所述阻變器件的當前電阻值；S7:計算所述阻變器件的初始電阻值與當前電阻值之間的差值，並根據所述差值與所述待輸入信號的電壓積分值之間的對應關係，以獲得所述待輸入信號的電壓積分值。優選地，步驟S7中所述差值與所述待輸入信號的積分值之間的對應關係如下式，Sn =入 At(R0-Rn)其中，SnS待輸入信號的電壓積分值，\為電阻變化量與電壓值之間的線性關係因子，△ t為所述預設時間間隔，R0為所述阻變器件的初始電阻值，Rn為所述阻變器件的當前電阻值。優選地,步驟S3之前還包括步驟
S21 :將所述時間採樣後的待輸入信號通過變頻電路進行變頻，以獲得幅值相同、 且脈衝寬度與變頻前的電壓值呈正比的變頻信號；在步驟S3中，將所述變頻信號輸入所述阻變器件的陽電極。優選地，步驟S7中所述差值與所述待輸入信號的積分值之間的對應關係如下式，Sn = a ^ At(R0-Rn)其中，SnS待輸入信號的電壓積分值，a為變頻電路中脈衝寬度與電壓值的線性關係因子，^為脈衝寬度與電阻變化量的線性關係因子，Rtl為所述阻變器件的初始電阻值， Rn為所述阻變器件的當前電阻值。(三)有益效果本發明利用阻變器件的特性，來實現積分器，具有結構簡單、高速、低操作電壓和電流、工藝兼容、以及成本低廉的特點。
圖I是阻變器件的結構示意圖；圖2是在圖I所示的阻變器件的陽電極上施加正向脈衝時，脈衝高度與電阻值之間的理論關係不意圖；圖3是在圖I所示的阻變器件的陽電極上施加正向脈衝時，脈衝寬度與電阻值之間的理論關係不意圖；圖4是在圖I所示的阻變器件的陽電極上施加負向脈衝時，脈衝高度(絕對值) 與電阻值之間的理論關係示意圖；圖5是在圖I所示的阻變器件的陽電極上施加負向脈衝時，脈衝寬度與電阻值之間的理論關係不意圖；圖6是在圖I所示的阻變器件的陽電極上施加脈衝寬度和脈衝高度一定的信號時，所述阻變器件的電阻值與脈衝個數之間的測試關係示意圖。圖7是按照本發明一種實施方式的利用阻變器件實現積分運算方法的流程圖；圖8是按照本發明另一種實施方式的利用阻變器件實現積分運算方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。目前，一種利用電阻變化的新型非揮發性存儲器具有高速度(<5ns)、低操作電壓( ZrO2, WO3> Ta2O5等等。阻變存儲器的工作方式包括單極和雙極兩種，前者在器件兩端施加單一極性的電壓，利用外加電壓大小不同控制阻變材料的電阻值在高低電阻態之間轉換，以實現數據的寫入和擦除；而後者是利用施加不同極性的電壓控制阻變材料電阻值的轉換。由於RRAM(即阻變器件)在合適的電壓電流控制下其阻值可以精確控制，因此
4RRAM被認為具有作為多值邏輯器件的潛力。特殊的操作可以使RRAM實現各種運算和邏輯功能。本發明提出的是利用RRAM單元的憶阻器功能實現多值積分計算，研究其操作模式，提出利用RRAM實現積分運算的方法。參照圖1，所述RRAM在Si/Si02/Ti襯底上物理氣相澱積(PVD) —層金屬，如鉬 (Pt)，厚度為5-100nm ;再PVD或者原子層澱積(ALD) —層金屬氧化物，如氧化鉿(HfO2)，厚度5-30nm;再PVD—層金屬或者其它導電材料，如氮化鈦(TiN);最後通過光刻刻蝕的方法得到隔離的器件，在TiN上引出陽電極，在Pt上引出陰電極，工作時，陰電極接地。圖2是在圖I所示的阻變器件的陽電極上施加正向脈衝時，脈衝高度與電阻值之間的理論關係示意圖；圖3是在圖I所示的阻變器件的陽電極上施加正向脈衝時，脈衝寬度與電阻值之間的理論關係示意圖；圖4是在圖I所示的阻變器件的陽電極上施加負向脈衝時，脈衝高度與電阻值之間的理論關係示意圖；圖5是在圖I所示的阻變器件的陽電極上施加負向脈衝時，脈衝寬度與電阻值之間的理論關係示意圖；因此，可知在脈衝寬度(脈衝高度)與電阻值之間呈線性關係。圖6是在圖I所示的阻變器件的陽電極上施加脈衝寬度和脈衝高度一定的信號時，所述阻變器件的電阻值與脈衝個數之間的測試關係示意圖，根據圖6更驗證了阻變器件的電阻置加關係。圖7是按照本發明一種實施方式的利用阻變器件實現積分運算方法的流程圖，參照圖7，本實施方式的方法包括以下步驟SI :對時域連續的待輸入信號按照預設時間間隔進行時間採樣；S2 :對阻變器件進行復位操作，以使得所述阻變器件的電阻值為初始電阻值；S3 :將時間採樣後的待輸入信號輸入所述阻變器件的陽電極；S4 :所述待輸入信號輸入完成後，在所述阻變器件的陽電極上輸入預設電壓；S5 :讀取所述阻變器件上的電流值；S6 :根據所述預設電壓和讀取的電流值，計算獲得所述阻變器件的當前電阻值；S7:計算所述阻變器件的初始電阻值與當前電阻值之間的差值，並根據所述差值與所述待輸入信號的電壓積分值之間的對應關係，以獲得所述待輸入信號的電壓積分值。所述待輸入信號的電壓積分值的離散時間域積分的公式為
權利要求
1.一種利用阻變器件實現積分運算方法，其特徵在於，包括以下步驟Si:對時域連續的待輸入信號按照預設時間間隔進行時間採樣；52:對阻變器件進行復位操作，以使得所述阻變器件的電阻值為初始電阻值；53:將時間採樣後的待輸入信號輸入所述阻變器件的陽電極；54:所述待輸入信號輸入完成後，在所述阻變器件的陽電極上輸入預設電壓；55:讀取所述阻變器件上的電流值；56:根據所述預設電壓和讀取的電流值，計算獲得所述阻變器件的當前電阻值；S7:計算所述阻變器件的初始電阻值與當前電阻值之間的差值，並根據所述差值與所述待輸入信號的電壓積分值之間的對應關係，以獲得所述待輸入信號的電壓積分值。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟S7中所述差值與所述待輸入信號的積分值之間的對應關係如下式，Sn = A At (R0-Rn)其中，SnS待輸入信號的電壓積分值，A為電阻變化量與電壓值之間的線性關係因子， △t為所述預設時間間隔，Rtl為所述阻變器件的初始電阻值，Rn為所述阻變器件的當前電阻值。
3.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟S3之前還包括步驟S21 :將所述時間採樣後的待輸入信號通過變頻電路進行變頻，以獲得幅值相同、且脈衝寬度與變頻前的電壓值呈正比的變頻信號；在步驟S3中，將所述變頻信號輸入所述阻變器件的陽電極。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟S7中所述差值與所述待輸入信號的積分值之間的對應關係如下式，Sn = a ^ At (R0-Rn)其中，SnS待輸入信號的電壓積分值，a為變頻電路中脈衝寬度與電壓值的線性關係因子，^為脈衝寬度與電阻變化量的線性關係因子，Rtl為所述阻變器件的初始電阻值，RnS 所述阻變器件的當前電阻值。
全文摘要
本發明公開了一種利用阻變器件實現積分運算方法，涉及半導體集成電路及其製造技術領域，所述方法包括S1對待輸入信號進行時間採樣；S2對阻變器件進行復位操作；S3將時間採樣後的待輸入信號輸入所述阻變器件的陽電極；S4在所述阻變器件的陽電極上輸入預設電壓；S5讀取所述阻變器件上的電流值；S6計算獲得所述阻變器件的當前電阻值；S7計算所述阻變器件的初始電阻值與當前電阻值之間的差值，並根據所述差值與所述待輸入信號的電壓積分值之間的對應關係，以獲得所述待輸入信號的電壓積分值。本發明利用阻變器件的特性，來實現積分器，具有結構簡單、高速、低操作電壓和電流、工藝兼容、以及成本低廉的特點。
文檔編號H03K19/00GK102611424SQ20111043578
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月22日 優先權日2011年12月22日
發明者劉力鋒, 劉曉彥, 康晉鋒, 張飛飛, 陳冰, 陳沅沙, 高濱 申請人:北京大學