一种基于忆阻器的模数转换电路及转换方法技术

本发明专利技术涉及一种基于忆阻器的模数转换电路及转换方法，利用忆阻器随电流规律变化的特点，采用电压脉冲Vp产生稳定电流改变忆阻器阻值，电流源读出每次脉冲后忆阻器阻值的变化量；同时，结合比较器读出每个输出模拟信号需要的电压脉冲次数，对电压脉冲次数进行编码，输出数字信号。本发明专利技术可根据需求调节电压脉冲Vp的幅度、周期、占空比，可改变模拟信号进行数字编码的区间宽度，实现大范围模拟信号到数字信号的转换。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于忆阻器的模数转换电路及转换方法。
技术介绍
模数转换器(Analog-to-Digital Converter)是将模拟输入量按照一定规则转换为与之对应的数字编码的接口电路，是电子世界里连接模拟信号与数字信号的桥梁。传统的ADC主要是在CMOS工艺下使用大量的MOSFET搭建复杂的电路系统，使模拟信号依次经过采样、保持、量化、编码等步骤，转变成数字信号。目前，传统CMOS工艺的ADC技术经过工程师们不断优化，已经逐渐走向成熟，但这仍然满足不了人们对ADC高精度、低功耗等高性能的需求。随着新型微电子器件的出现，利用新器件与传统MOS器件结合研发高性能ADC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，本专利技术的目的在于提供一种基于忆阻器的模数转换电路及转换方法，将忆阻器与传统电路混合，具有操作简单、低功耗、芯片面积小等优点。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于忆阻器的模数转换电路，其特征在于：包括输入脉冲Vp，所述输入脉冲Vp分别与NMOS管M1的栅极、NMOS管M1的漏极及反相器N1的输入端连接，所述反相器N1的输出端与控制开关S1的控制端连接；所述NMOS管M1的源极分别与忆阻器U1的正端、所述控制开关S1的一端连接并作为参考电压Vref，所述忆阻器U1的负端接地，所述控制开关S1的另一端与电流源Iread连接；还包括比较器，所述比较器的正向输入端与模拟信号Vin连接，所述比较器的反向输入端与所述参考电压Vref连接，所述比较器的输出端与或逻辑门的第一输入端连接，所述或逻辑门的第二输入端与所述输入脉冲Vp连接，所述或逻辑门的输出端与计数模块的输入端连接，所述计数模块的输出端作为数字信号输出。进一步的，所述反相器N1包括PMOS管M2与NMOS管M3，所述PMOS管M2的栅极与NMOS管M3的栅极连接并作为所述反相器N1的输入端，所述PMOS管M2的源极与高电平Vdd连接，所述PMOS管M2的漏极与所述NMOS管M3的漏极连接并作为所述反相器N1的输出端，所述NMOS管M3的源极接地。一种基于忆阻器的模数转换方法，其特征在于：包括参考电压Vref的获取部分与数字信号输出部分；所述数字信号获取部分将输入脉冲Vp分别与NMOS管M1的栅极、NMOS管M1的漏极及反相器N1的输入端连接，所述反相器N1的输出端与控制开关S1的控制端连接，用于控制所述控制开关S1的开启与关断；所述NMOS管M1的源极分别与忆阻器U1的正端、所述控制开关S1的一端连接并输出参考电压Vref，所述控制开关S1的另一端与电流源Iread连接；所述数字信号输出部分将比较器的正向输入端与模拟信号Vin连接，所述比较器的反向输入端与所述参考电压Vref连接，所述比较器的输出端与或逻辑门的第一输入端连接，所述或逻辑门的第二输入端与所述输入脉冲Vp连接，所述或逻辑门的输出端与计数模块的输入端连接，所述计数模块的输出端输出数字信号。进一步的，当所述反相器N1的输出端为低电平时，关断所述控制开关S1，不读取所述参考电压Vref；当所述反相器N1的输出端为高电平时，开启所述控制开关S1，读取所述参考电压Vref。进一步的，所述参考电压Vref大于所述模拟信号Vin时，所述比较器的输出端为低电平；所述参考电压Vref小于所述模拟信号Vin时，所述比较器的输出端为高电平。进一步的，所述忆阻器的阻值Rmem计算具体如下：x(t)＝∫ki(t)f(x)dtk=uvRonD2]]>Rmem(t)＝Ronx+Roff(1-x)其中：i(t)为t时刻流过忆阻器的电流；f(x)为窗函数；uv为掺杂物即忆阻器中TiO2-n的迁移率；Ron和Roff分别为忆阻器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；D为氧化物的总厚度；x(t)为t时刻忆阻器中掺杂区与非掺杂区边界的位置。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术将忆阻器与传统电路相结合，忆阻器相比于传统CMOS器件具有面积小、低功耗等优良性能；本专利技术利用忆阻器阻值可变性质，搭建新的ADC系统，可根据需求调节Vp脉冲幅度、周期、占空比、改变编码区间个数，调节精度，具有操作简单、低功耗、芯片面积小等优点，可应用于编码区间可调、小信号ADC系统中。附图说明图1是本专利技术参考电压获取部分电路图。图2是本专利技术反相器电路图。图3是本专利技术数字信号输出部分电路图。图4是本专利技术一仿真实例中忆阻器阻值随电压脉冲Vp变化曲线图。图5是参考电压Vref随Vp脉冲个数变化关系图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。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与非掺杂区的比例决定当前的阻值，具体的阻值Rmem计算公式如下：x(t)＝∫ki(t)f(x)dtk=uvRonD2]]>Rmem(t)＝Ronx+Roff(1-x)其中：i(t)为t时刻流过忆阻器的电流；f(x)为窗函数；uv为掺杂物即忆阻器中TiO2-n的迁移率；Ron和Roff分别为忆阻器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；D为氧化物的总厚度；x(t)为t时刻忆阻器中掺杂区与非掺杂区边界的位置。忆阻器的记忆性通过TiO2与TiO2-n之间的转换体现出来。在当电流正向流过忆阻器时，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，忆阻器的导电性不断增强，电阻随之减小。而当忆阻器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，忆阻器的导电性不断减弱，电阻也随之增大。请参照图1和图3，本专利技术提供一种基于忆阻器的模数转换电路及转换方法，包括参考电压Vref的获取部分与数字信号输出部分；所述数字信号获取部分将输入脉冲Vp分别与NMOS管M1的栅极、NMOS管M1的漏极及反相器N1的输入端连接，所述反相器N1的输出端与控制开关S1的控制端连接，用于控制所述控制开关S1的开启与关断；所述NMOS管M1的源极分别与忆阻器U1的正端、所述控制开关S1的一端连接并输出参考电压Vref，所述控制开关S1的另一端与电流源Iread连接；所述数字信号输出部分将比较器的正向输入端与模拟信号Vin连接，所述比较器的反向输入端与所述参考电压Vref连接，所述比较器的输出端与或逻辑门的第一输入端连接，所述或逻辑门的第二输入端与所述输入脉冲Vp连接，所述或逻辑门的输出端与计数模块的输入端连接，所述计数模块的输出端输出数字信号。进一步的，当所述反相器N1的输出端为低电平时，关断所述控制开关S1，不读取所述参考电压Vref；当所述反相器N1的输出端为高电平时，开启所述控制开关S1，读取所述参考电压Vref。进一步的，所述参考电压Vref大于所述模拟信号Vin时，所述比较器的输出端为低电平；所述参考电压Vref小于所述模拟信号Vin时，所述比较器的输出端为高电平。请参照图2，所述反相器N1包括PMOS管M2与NMOS管M3，所述PMOS管M2的栅极与NMOS管M3的栅极连接并作为所述反相器N1的输入端，所述PMOS管M2的源极与高电平Vdd本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于忆阻器的模数转换电路，其特征在于：包括输入脉冲Vp，所述输入脉冲Vp分别与NMOS管M1的栅极、NMOS管M1的漏极及反相器N1的输入端连接，所述反相器N1的输出端与控制开关S1的控制端连接；所述NMOS管M1的源极分别与忆阻器U1的正端、所述控制开关S1的一端连接并作为参考电压Vref，所述忆阻器U1的负端接地，所述控制开关S1的另一端与电流源Iread连接；还包括比较器，所述比较器的正向输入端与模拟信号Vin连接，所述比较器的反向输入端与所述参考电压Vref连接，所述比较器的输出端与或逻辑门的第一输入端连接，所述或逻辑门的第二输入端与所述输入脉冲Vp连接，所述或逻辑门的输出端与计数模块的输入端连接，所述计数模块的输出端作为数字信号输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于忆阻器的模数转换电路，其特征在于：包括输入脉冲Vp，所述输入脉冲Vp分别与NMOS管M1的栅极、NMOS管M1的漏极及反相器N1的输入端连接，所述反相器N1的输出端与控制开关S1的控制端连接；所述NMOS管M1的源极分别与忆阻器U1的正端、所述控制开关S1的一端连接并作为参考电压Vref，所述忆阻器U1的负端接地，所述控制开关S1的另一端与电流源Iread连接；还包括比较器，所述比较器的正向输入端与模拟信号Vin连接，所述比较器的反向输入端与所述参考电压Vref连接，所述比较器的输出端与或逻辑门的第一输入端连接，所述或逻辑门的第二输入端与所述输入脉冲Vp连接，所述或逻辑门的输出端与计数模块的输入端连接，所述计数模块的输出端作为数字信号输出。2.根据权利要求1所述的基于忆阻器的模数转换电路，其特征在于：所述反相器N1包括PMOS管M2与NMOS管M3，所述PMOS管M2的栅极与NMOS管M3的栅极连接并作为所述反相器N1的输入端，所述PMOS管M2的源极与高电平Vdd连接，所述PMOS管M2的漏极与所述NMOS管M3的漏极连接并作为所述反相器N1的输出端，所述NMOS管M3的源极接地。3.一种基于忆阻器的模数转换方法，其特征在于：包括参考电压Vref的获取部分与数字信号输出部分；所述数字信号获取部分将输入脉冲Vp分别与NMOS管M1的栅极、NMOS管M1的漏极及反相器N1的输入端连接，所述反相器N1的输出端与控制开关S1的控制端连接，用于控制所述控制开关S1的开启与关断；所述NMOS管M1的源极...

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