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CN103312331B - 一种基于忆阻器的模数转换器 - Google Patents

一种基于忆阻器的模数转换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体集成电路领域，其公开了一种新型的具有高精度、低功耗、占用芯片面积小的基于忆阻器的模数转换器。该模数转换器包括参考电压产生电路、比较器、产生输出码字的计数器及复位电路；所述参考电压产生电路与比较器的反相端相连；所述比较器的同相端接输入电压；所述比较器的输出端通过或门与所述产生输出码字的计数器相连；所述复位电路与所述参考电压产生电路相连。本发明基于忆阻器实现的模数转换器具有高精度、低功耗、占用芯片面积小的优点，且该模数转换器构造简单、易于控制，适用于低功耗模数转换。

Description

一种基于忆阻器的模数转换器
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域，特别涉及一种基于忆阻器的模数转换器，用于进行模拟信号到数字信号的转换。
背景技术
随着电子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用，利用数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量，模拟量经过传感器采集转换成为电信号的模拟量后，需经模数转换变成数字信号才可输入到数字系统中进行处理和控制，因而作为把模拟电量转换成数字量输出的接口电路——模/数转换器是模拟信号通向数字信号的桥梁，也是当今电子技术发展的关键和瓶颈所在。
模数转换器包括三个基本功能：抽样、量化和编码；抽样是将模拟信号在时间上离散化，使之成为抽样信号；量化将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；编码则将数字信号最终表示成数字系统所能接受的形式；如何实现这三个功能就决定了ADC的形式和性能。同时，ADC的分辨率越高，需要的转换时间就越长，转换速率就越低，故ADC的分辨率和转换速率两者总是相互制约的。因而在发展高分辨率ADC的同时要兼顾高速，在发展高速ADC的同时要兼顾高分辨率，在此基础上还要考虑功耗、体积、便携性、多功能、与计算机及通讯网络的兼容性以及应用领域的特殊要求等问题，这也使得ADC的结构和分类错综复杂。
当前，为了适应计算机、通讯和多媒体技术的飞速发展以及高新技术领域的数字化进程不断加快，模数转换电路在工艺、结构、性能上都有了很大的进步，正在朝着低功耗、高速、高分辨率的方向发展。
忆阻器（MEMRISTOR）是电阻、电容和电感之外的第四种基本的无源器件，由蔡少棠于1971年首次提出忆阻器的概念并论证了其存在的理论依据。2008年，HP实验室发现并制作了具有忆阻特性的双端电阻。对忆阻器外加编程电压可以使忆阻器阻值在最大阻值RMAX和最小阻值RMIN之间变化：在忆阻器两端加正电压时，忆阻器阻值降低；在忆阻器两端加负电压时，忆阻器阻值升高。
通常忆阻器的最大阻值RMAX和最小阻值RMIN相差三个以上数量级，阻值改变时间可低至纳秒量级，编程电压低，并且可以通过控制编程脉冲的幅度、频率、个数以及占空比将忆阻器阻值编程在最大阻值和最小阻值之间的任意阻值。
因此，如何应用忆阻器的上述特点设计出一种基于忆阻器的具有高精度、低功耗、占用芯片面积小等优点的模数转换电路成为当前研究的重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种新型的高精度、低功耗、占用芯片面积小的基于忆阻器的模数转换器。
本发明解决上述技术问题采用的方案是：一种基于忆阻器的模数转换器，包括参考电压产生电路、比较器、产生输出码字的计数器及复位电路；所述参考电压产生电路与比较器的反相端相连；所述比较器的同相端接输入电压；所述比较器的输出端通过或门与所述产生输出码字的计数器相连；所述复位电路与所述参考电压产生电路相连。
进一步，所述参考电压产生电路包括忆阻器、第一传输门、第二传输门、反相器及电流源；所述反相器的输入端与所述第一传输门的控制端相连，并连接时钟信号；所述反相器的输出端与所述第二传输门的控制端相连；所述第一传输门的输入端与编程电压相连，其输出端与所述忆阻器的顶电极（TE）相连；所述第二传输门的输入端与所述忆阻器的顶电极（TE）相连，其输出端与所述电流源相连；所述忆阻器的底电极（BE）接地。
进一步，所述复位电路包括电压源及第三传输门；所述第三传输门的输入端与所述电压源相连，其输出端与所述忆阻器的顶电极（TE）相连，其控制端与所述比较器的输出端相连。
本发明的有益效果是：基于忆阻器实现的模数转换器具有高精度、低功耗、占用芯片面积小的优点，且该模数转换器构造简单、易于控制，适用于低功耗模数转换。
附图说明
图1为本发明中的模数转换器的参考电压产生电路结构图；
图2为本发明中的模数转换器的复位电路结构图；
图3为本发明中的模数转换器的整体结构图；
图4为忆阻器的阻值随脉冲个数变化曲线图；
图5为本发明中的模数转换器的工作流程图；
图6为实施例中的忆阻器阻值随时钟个数变化曲线图；
图7为实施例中参考电压随时钟个数变化曲线图；
图中，S1为第一传输门、S2为第二传输门、S3为第三传输门、I1为反相器、I2为或门、IREAD为电流源、CLK为时钟信号、Vp为编程电压、VRESET为电压源、VIN为输入电压。
具体实施方式
本发明旨在提出一种新型的具有高精度、低功耗、占用芯片面积小的基于忆阻器的模数转换器，忆阻器（MEMRISTOR）是电阻、电容和电感之外的第四种基本的无源器件。可以通过控制加在忆阻器两端的脉冲信号的幅度、频率、个数以及占空比将忆阻器的阻值编程在最大阻值RMAX和最小阻值RMIN之间的任意阻值；本发明中使用电压脉冲对忆阻器的阻值进行编程，忆阻器阻值会随脉冲个数逐渐变化；为了实现忆阻器阻值的逐渐下降，本发明采用正电压脉冲加在忆阻器顶电极对忆阻器阻值进行编程，从而可以通过控制脉冲幅度、频率、占空比以及脉冲个数使忆阻器阻值呈阶跃状逐渐下降。
本发明中的模数转换器包括参考电压产生电路、比较器、产生输出码字的计数器及复位电路几个部分，所述参考电压产生电路与比较器的反相端相连；所述比较器的同相端接输入电压；所述比较器的输出端通过或门与所述产生输出码字的计数器相连；所述复位电路与所述参考电压产生电路相连。
在具体实施上，参考电压产生电路如图1所示，其包括忆阻器（MEMRISTOR）、第一传输门S1、第二传输门S2、反相器I1及电流源IREAD；所述反相器I1的输入端与所述第一传输门S1的控制端相连，并连接时钟信号CLK；所述反相器I1的输出端与所述第二传输门S2的控制端相连；所述第一传输门S1的输入端与编程电压VP相连，其输出端与所述忆阻器的顶电极TE相连；所述第二传输门S2的输入端与所述忆阻器的顶电极相连，其输出端与所述电流源IREAD相连；所述忆阻器的底电极（BE）接地；此参考电压产生电路用于产生随时钟个数逐渐下降的参考电压VREF加到比较器（CMP）的反相端与输入电压VIN进行比较；
复位电路如图2所示，其包括电压源VRESET及第三传输门S3，所述第三传输门S3的输入端与所述电压源VRESET相连，其输出端与所述忆阻器的顶电极相连，其控制端与所述比较器的输出端相连；此复位电路用于对忆阻器进行复位操作，使其阻值回到最大值RMAX；
基于上述参考电压产生电路、复位电路、比较器及产生输出码字的计数器而构成的模数转换器的整体结构如图3所示。
在本发明中，参考电压产生电路工作时通过给忆阻器上外加与时钟信号频率相同，占空比相同，幅度为VP的电压脉冲对忆阻器阻值进行编程，使忆阻器阻值随时钟个数逐渐下降，从而产生逐渐下降的参考电压VREF。
在每个转换周期的第一个时钟脉冲到来前，忆阻器被复位电路复位到RMAX；在时钟信号CLK为高电平时，第一传输门S1导通，第二传输门S2关断，忆阻器顶电极（TE）接编程电压VP，底电极（BE）接地，VP对忆阻器阻值编程，由于编程电压VP为正电压，忆阻器阻值随时钟个数逐渐下降，从而可以产生随时钟个数逐渐下降的参考电压VREF。在时钟信号CLK为低电平时，第一传输门S1关断，第二传输门S2导通，一个不会导致忆阻器阻值变化的读电流IREAD从忆阻器顶电极流入，从而将编程后的忆阻器阻值转换为参考电压VREF，即：
VREF=IREADRM
其中RM为忆阻器阻值。
本发明中的模数转换电路的工作流程如图5所示，转换周期开始时，模拟输入信号（即输入电压VIN）被采样、保持并送到比较器的同相端；计数器被复位，忆阻器阻值被复位到最大阻值RMAX，时钟同时加到用来控制忆阻器阻值的传输门上。在第一个时钟脉冲到来时，当时钟为低电平时，第一传输门S1关断，第二传输门S2导通，一个不影响忆阻器阻值的读取电流IREAD读取忆阻器阻值并转换为参考电压加在比较器的反相端与输入电压VIN比较，此时忆阻器阻值为最大值RMAX,产生初始参考电压，如果VIN比初始参考电压值小，比较器输出低电平，输出计数器对时钟计数加1；当下一个时钟高电平来临时，第一传输门S1导通，第二传输门S2关断，编程电压VP对忆阻器阻值编程，进一步降低忆阻器的阻值，从而在下一个时钟低电平到来时，使加在比较器反相端的参考电压进一步下降。因为VIN比参考电压小，比较器输出低电平，并且加到或门I2上的每个时钟脉冲引起输出端的计数器计数；最后，当忆阻器阻值降低到使参考电压小于或等于VIN时，比较器输出上升为高电平，输出计数器被禁止，并且使第三传输门S3导通，对忆阻器外加一个较大的负电压VRESET对忆阻器进行复位操作，使忆阻器阻值回到最大阻值RMAX。代表输出计数器状态的二进制数现在可以转换成要求的码型。忆阻器阻值随脉冲个数变化曲线如图4所示，可以通过改变脉冲频率、占空比以及幅度的大小来改变忆阻器阻值变化阶跃值的大小。本发明可以通过改变时钟频率、占空比以及VP的大小来改变忆阻器阻值变化阶跃值的大小，来改变参考电压变化阶跃值的大小。
下面结合附图及实施例对本发明的方案作进一步的描述：
在本实例中，忆阻器最大阻值RMAX为20kOhm，最小阻值RMIN为10kOhm，电压源VP为0.5V，电流源IREAD为10uA，时钟频率为1KHz,占空比为20%，则忆阻器阻值随时钟个数变化曲线如图6所示，每个编程脉冲使忆阻器阻值下降500Ohm，即每过一个时钟参考电压下降5mV，参考电压随时钟个数变化曲线图如图7所示；采用本例中的模数转换器进行工作时，其输入信号范围和对应的计数器输出如下表所示：
表一：输入信号范围与计数器输出的对应表
输入信号范围 计数器输出
200mV＜VIN 00000
195mV＜VIN≤200mV 00001
190mV＜VIN≤195mV 00010
185mV＜VIN≤190mV 00011
180mV＜VIN≤185mV 00100
175mV＜VIN≤180mV 00101
170mV＜VIN≤175mV 00110
165mV＜VIN≤170mV 00111
160mV＜VIN≤165mV 01000
155mV＜VIN≤160mV 01001
150mV＜VIN≤155mV 01010
145mV＜VIN≤150mV 01011
140mV＜VIN≤145mV 01100
135mV＜VIN≤140mV 01101
130mV＜VIN≤135mV 01110
125mV＜VIN≤130mV 01111
120mV＜VIN≤125mV 10000
115mV＜VIN≤120mV 10001
110mV＜VIN≤115mV 10010
105mV＜VIN≤110mV 10011
由此可见，采用本发明中的模数转换器可以实现高精度的模数转换需求。
需要说明的是，本发明要求保护的方案包含但不仅限于上述实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明精神实质情况下根据上述实施例的描述所做出的等同修改/替换，皆在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于忆阻器的模数转换器，其特征在于，包括参考电压产生电路、比较器、产生输出码字的计数器及复位电路；所述参考电压产生电路与比较器的反相端相连；所述比较器的同相端接输入电压；所述比较器的输出端通过或门与所述产生输出码字的计数器相连；所述复位电路与所述参考电压产生电路相连；
所述参考电压产生电路包括忆阻器、第一传输门、第二传输门、反相器及电流源；所述反相器的输入端与所述第一传输门的控制端相连，并连接时钟信号；所述反相器的输出端与所述第二传输门的控制端相连；所述第一传输门的输入端与编程电压相连，其输出端与所述忆阻器的顶电极相连；所述第二传输门的输入端与所述忆阻器的顶电极相连，其输出端与所述电流源相连；所述忆阻器的底电极接地；
所述复位电路包括电压源及第三传输门；所述第三传输门的输入端与所述电压源相连，其输出端与所述忆阻器的顶电极相连，其控制端与所述比较器的输出端相连。
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