【摘要】：憶阻器作為第四種基本電路元件,具有功耗低、尺寸小、非易失性等優(yōu)點(diǎn),能降低傳統(tǒng)電路的功率消耗,減少電路的面積,提高電路的整體性能,有望讓摩爾定律重新煥發(fā)光彩。作為一種新型的記憶元器件,基于憶阻器構(gòu)建的新型系統(tǒng)引起人們的廣泛關(guān)注。憶阻器的阻值變化范圍很大,施加不同的電壓值可更改憶阻器的阻態(tài),憶阻器最后一次的阻值會被保留直到施加下一個(gè)電壓脈沖。憶阻器在非易失存儲、數(shù)字邏輯計(jì)算、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和非線性電路等領(lǐng)域有著無限的潛力。憶阻器可以同時(shí)完成存儲和邏輯運(yùn)算的特點(diǎn),有望成為新一代邏輯運(yùn)算電路的首選方案。本文基于惠普實(shí)驗(yàn)室提出的憶阻器,研究憶阻器在邏輯電路方面的應(yīng)用。本文的主要工作如下:(1)基于憶阻器的基本原理和數(shù)學(xué)關(guān)系,本文研究了惠普實(shí)驗(yàn)室提出的憶阻器模型和目前常見的幾種憶阻器數(shù)學(xué)模型及其特性,為接下來憶阻器在邏輯電路上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。(2)基于憶阻器的蘊(yùn)含邏輯(Material implication,IMPLY)最早由普惠實(shí)驗(yàn)室提出并驗(yàn)證其有效性。在研究了基于蘊(yùn)含操作背后的機(jī)理后,根據(jù)蘊(yùn)含操作和邏輯函數(shù)之間存在的關(guān)系,結(jié)合蘊(yùn)含操作和置零操作,實(shí)現(xiàn)幾種常見的邏輯門電路,并詳細(xì)闡述了構(gòu)建邏輯門的實(shí)現(xiàn)過程。在此基礎(chǔ)之上,提出一種基于蘊(yùn)含邏輯的改進(jìn)型的全加器,闡述了該加法器的詳細(xì)操作步驟、進(jìn)位函數(shù)C和加法和函數(shù)S的激勵(lì)電壓序列。改進(jìn)型的全加器相比于普惠實(shí)驗(yàn)室提出的全加器,無論在使用憶阻器的數(shù)量上,還是在操作序列上都更具有優(yōu)勢。(3)比例邏輯(Memristor Ratio Logic,MRL)是憶阻器在邏輯電路中的另一種設(shè)計(jì)方法,這種電路設(shè)計(jì)方法相比于蘊(yùn)含邏輯具有更加簡單的電路設(shè)計(jì),使用的邏輯變量和傳統(tǒng)的CMOS電路兼容,不需要冗余的操作序列。本文研究了基于比例邏輯的基本與門、或門、與非門、或非門電路的原理。更進(jìn)一步的對比了基于蘊(yùn)含邏輯設(shè)計(jì)的異或門和基于比例邏輯設(shè)計(jì)的異或門的異同點(diǎn)。最后在加法器的基礎(chǔ)之上,提出基于比例邏輯的乘法器電路設(shè)計(jì),并進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證。(4)將比例邏輯應(yīng)用在數(shù)字電路中作了更進(jìn)一步的嘗試,在基于比例邏輯的全加器的基礎(chǔ)之上,針對串行加法器運(yùn)算速度慢等問題,提出了基于比例邏輯的超前進(jìn)位加法器和改進(jìn)型的超前進(jìn)位加法器,經(jīng)過理論驗(yàn)證和仿真實(shí)驗(yàn),表明所提出的超前進(jìn)位加法器比基于蘊(yùn)含和CMOS實(shí)現(xiàn)的超前進(jìn)位加法器需要更少的憶阻器,減少了電路的面積,并降低了電路的功率消耗。
【圖文】：

從式（２．１４）可以看出，憶阻器的阻值受設(shè)備的寬度Ｄ的影響很大，因?yàn)槭瞧椒降木壒�，因逡逑此�?dāng)寬度Ｄ的值越小，憶阻器的特性就會更加的明顯。此外，從式（２．１４）中可以看出，憶阻逡逑的阻值還離子的漂移速度的影響。圖２．５是ＨＰ憶阻器模型的／－ｖ關(guān)系圖。施加在憶阻器兩逡逑的電壓為ｖ（／）＝Ｓｉｎ（ＭＷ），其中ｖｖ。是正弦波的角頻率。曲線表現(xiàn)為緊致的８字形滯回特性。因逡逑為電壓和電流之間沒有相位差，所以曲線總是經(jīng)過原點(diǎn)。逡逑９逡逑

（ａ）邋Ｔｉ０２憶阻器薄膜邐（ｂ）等效電路逡逑圖２．４憶阻器等效模型逡逑憶阻器的總寬度為乃，摻雜區(qū)的寬度為ｗ，整個(gè)憶阻器的總阻值為ＲＭ。假設(shè)離子漂移平逡逑均速度為／Ａ．，可以得到憶阻器兩端的電壓和電流之間的關(guān)系：逡逑ｖ⑴二邋Ｍ邋⑷／⑴＝［Ｒ０Ｎ邋令＋邋ＲＯＦＦ（ｌ邋—號％⑴邐（２．１１）逡逑？邋＝邋々（０邋（２．１２）逡逑式（２．１１）中，／（0是流經(jīng)憶阻器的電流值，ｖ（0代表輸入激勵(lì)電壓，常數(shù)值Ｒ０Ｎ和ＲＯＦＦ分別表示逡逑憶阻器設(shè)備的最小阻值和最大阻值。實(shí)際的憶阻值取決于動態(tài)變化的狀態(tài)變量ｗ（／）和憶阻設(shè)逡逑備的寬度Ｚ）的比值，狀態(tài)變量表示氧空缺二氧化鈦層Ｔｉ０２－；ｃ的厚度。由于Ｒ0ｆｆ？Ｒ0ｎ，逡逑所以憶阻器的阻值和成反比。的值可以由式（２．１２）確定，對公式（２．１２）兩端對時(shí)間／求逡逑積分可得：逡逑ｗ（ｔ）邋＝邋＼邋ｊｉｖ邋＾ｉ（ｔ）ｄｔ邋＝／／ｖ邋＾ｑｉｔ）邐（２．１３）逡逑在積分之后，可得狀態(tài)變量Ｍ＜0的值和憶阻器設(shè)備上的電荷成正比，，與設(shè)備的厚度成反逡逑比。因?yàn)殡姾墒请娏鲗r(shí)間的積分，這就為憶阻器的非易失性效應(yīng)提供了解釋：當(dāng)憶阻器兩逡逑端無電流流過時(shí)
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN791;TN60

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2632694