[發明專利]基于LTspice模型的閾值型二值憶阻器實現方法

有效

• 申請號: 202010156608.9
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111339674B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 王曉媛;金晨曦;高蒙
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/327;G06F111/10
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發明公開了一種基于LTspice模型的閾值型二值憶阻器實現方法。本發明根據閾值型二值憶阻器的數學模型，設計了一種基于LTspice軟件的閾值型二值憶阻器的模型，并結合電路分析，得出了模型對應的電路結構，由兩個受控電流源和一個電容組成。在LTspice軟件中對模型的特性進行了仿真，得到了理想的結果。結果表明，該模型符合憶阻器的定義，并具有明顯的閾值特性與二值特性，即只有在激勵電壓超過閾值電壓時，電阻值才會改變，并能夠維持住兩種穩定的憶阻值，以此來表征邏輯狀態0和1，且不存在中間狀態，符合設計思想。這對于進一步地研究憶阻器在數字邏輯電路方面的應用具有重要的意義。

技術領域

本發明涉及一種基于LTspice模型的閾值型二值憶阻器實現方法。

背景技術

蔡少棠教授根據缺失的磁通和電荷之間的數學關系，推測存在第四種基本電路元件憶阻器，它是一種非線性二端電路元件，其電阻值能夠隨輸入電流或電壓的歷史而發生變化，具有憶阻特性。

2008年，HP實驗室首次采用納米技術給出了憶阻器的物理實現，并發現憶阻器的憶阻值可以作為邏輯運算的操作數來完成邏輯運算，并基于此實現了實質蘊涵電路，對于憶阻器在邏輯運算電路中的應用具有重要意義。但迄今為止，納米尺度的憶阻器仍然存在生產技術難題，而憶阻器LTspice模型具有易實現、低成本、特性可控等優點，對于憶阻器的應用電路研究能夠提供一定的幫助。

在傳統的二值邏輯電路中，是通過高低電平來表征電路的邏輯狀態，但電平邏輯往往伴隨易失性，即掉電以后邏輯狀態無法保存。將憶阻器應用到邏輯電路中，通過電阻狀態即高阻態和低阻態來表征二值邏輯0和1，其自身的非易失性恰好彌補了電平邏輯不易保存的缺點。

研究還發現，憶阻器的開關交叉結構可以實現信息的存儲，這一特性使得憶阻器可以應用在存儲器中以完成邏輯運算，對實現不同于傳統的馮·諾依曼架構的新型計算機架構具有重大意義。另外，研究發現在納米級憶阻器件中，普遍存在閾值效應，即僅當激勵電壓超過閾值電壓時，憶阻器電阻值才會發生改變，從而實現穩定可靠的邏輯運算。

發明內容

針對現有研究存在的不足，本發明提出了一種閾值型二值憶阻器的LTspice模型，以實現穩定可靠的二值特性。

本發明解決技術問題所采取的技術方案如下：

基于LTspice模型的閾值型二值憶阻器實現方法：

構造一個閾值型二值憶阻器的數學模型：

式中，x為系統內部狀態變量，為變量x的一階導數，表示x的變化情況。v(t)為憶阻器兩端的電壓，即模型的輸入電壓，i(t)為經過憶阻器的電流，R(x)為憶阻器的憶阻值。R_ON、R_OFF為憶阻器的兩個不同的穩定的憶阻值，且不存在其他任何中間阻值狀態。

給出二值憶阻器LTspice模型，包括受控電流源G_m、G_x，以及與受控電流源G_x并聯的1F電容C_x，其中受控電流源G_m的輸出電流i_Gm，即二值憶阻器的輸出電流，等于數學模型中定義的受控電流源G_x與電容C_x構成的電路得到系統內部狀態變量x，設TE和BE分別為二值憶阻器LTspice模型的兩端，其中TE為電壓輸入端，接輸入電壓；BE為公共端，接地。

基于上述數學模型和所設計的二值憶阻器LTspice模型來實現二值憶阻器LTspice模型的阻值特性：

當輸入電壓v(t)1.2時，x的值增加，增加至x0時，憶阻值R(x)＝R_ON；