基于三值忆阻器1t1m交叉
阵列复位和读写的实现方法
技术领域
1.本发明属于电路设计技术领域，具体地，涉及一种基于三值忆阻器1t1m交叉阵列复位和读写的实现方法。
背景技术：
2.在冯诺伊曼体系结构中，数据的存储和处理是相互独立的，处理器和内存之间的信息传输耗费了大量的时间和功耗。忆阻器因其体积小，功耗低，非易失性的特点，作为存储单元有着天然的优势，且忆阻器有望替代传统cmos晶体管器件来进行数字
逻辑运算，因此基于忆阻器的存储器可以集“计算”与“存储”于一体，实现存算一体化。
3.目前忆阻器模型的研究主要集中在二值逻辑，而相比二值信号，三值信号携带更多的信息量，可以提高传输信号线与集成电路的信息密度和处理信息的时间和空间利用率。三值忆阻器具有三种不同的
阻值状态，可以分别表示三种逻辑值，这为构建三值逻辑电路创造了有利条件。此外三值忆阻器还可作为存储单元应用于非易失性存储器中，大量的忆阻器可以在一个微观的空间中相互连接，组成忆阻器交叉阵列结构。该结构融合了忆阻器的天然存储优势和交叉阵列大规模并行处理和计算的特点，将具有显著的存算一体化优势。因此，研究基于三值忆阻器的忆阻器交叉阵列具有重要的意义。
技术实现要素：
4.针对现有技术的不足，本发明设计了三值忆阻器1t1m交叉阵列的复位和读写方法。
5.该发明的阵列单元如图1所示，是由一个三值忆阻器mi串联一个晶体ti管组成。晶体管的导通
电压为4v，记为v
dd
，三值忆阻器的三个稳定的阻值分别为r
l
、rm和rh。当忆阻器两端的电压v≥1.2v时，忆阻器的阻值被置为r
l
。当1v≤v《1.2v时，若此时忆阻器阻值为rh则会迅速降至rm，否则会保持原有的状态不变。当-1v《v《1v时，忆阻器会继续保持原有的状态。当-1.2v《v≤-1v时，若此时忆阻器的阻值小于rm则会增加到rm，否则不发生变化。当v≤-1.2v时，忆阻器阻值被置为rh。三值忆阻器的负极都连有一个双向开关，用于选通读电路或写电路。当选通“write”端时，三值忆阻器将直接与地相连，这时向忆阻器施加适当的电压就可改变忆阻器的阻值。当选通“read”端时，三值忆阻器会串联一个电阻ri，施加相应的电压后，通过测量ri上的分压来判断三值忆阻器的阻值。电压源v
1-v4用于向忆阻器施加相应的操作电压，晶体管的导通与否则通过电压源v
dd1-v
dd4
控制。
6.与现有技术相比，本发明设计了对三值忆阻器1t1m交叉阵列的复位和读写的方法，设计思路简洁，原理清晰，并且易于将该方法应用到相关领域中。
附图说明
7.为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
8.图1是本发明用于说明的三值忆阻器1t1m交叉阵列的电路结构。
具体实施方式
9.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的模型作进一步的说明。
10.复位操作是对交叉阵列初始化的操作，复位后交叉阵列中的所有存储单元将被置为逻辑“0”，即三值忆阻器的阻值将被置为rh。由三值忆阻器的特性可知，对三值忆阻器施加小于等于-1.2v的电压后，忆阻器的阻值将会从任意阻态切换为高阻态，因此本方案将以-1.21v作为复位电压进行复位操作，记为v
reset
。
11.以图1中的4
×
4交叉阵列为例实现阵列复位。首先，将开关s
1-s4闭合，并将双向开关s
5-s8掷向“write”端，其次，设置电压源v
dd1-v
dd4
输出v
dd
，v
1-v4输出v
reset
。此时交叉阵列中的每个晶体管均导通，且每个三值忆阻器的正极输入为复位电压，负极接地。
12.再对图1中电路进行写操作，目的是将交叉阵列中指定存储单元的逻辑值置为逻辑“0”、逻辑“1”或逻辑“2”的过程，以图1中的存储单元m1为例进行写操作。第一步是通过外围控制电路选通指定的存储单元m1，这一步需要闭合开关s1，同时将双向开关s5掷向“write”端，并设置v
dd1
输出导通电压使晶体管t1呈导通状态。第二步是通过电压源v1向存储单元m1施加写电压，改变m1的阻值状态。
13.由于选通单元的初始逻辑状态是未知的，因此施加的写电压应能将任意初始状态的选通单元置为指定的逻辑状态。下面对置为不同的逻辑状态分别分析：
14.(1)写逻辑“2”：即将三值忆阻器从任意阻值状态切换为r
l
，包括rh→rl
、rm→rl
、r
l
→rl
三种情况，可取1.21v为写逻辑“2”电压，记为v
write2
。
15.(2)写逻辑“0”：即将三值忆阻器从任意阻值状态切换为rh，包括rh→
rh、rm→
rh、r
l
→
rh三种情况，可取-1.21v为写逻辑“0”电压，记为v
write0
。
16.(3)写逻辑“1”：若初始状态为逻辑“2”，即初始阻值为r
l
，应使三值忆阻器两端电压在(-1.2,-1]区间内，实现r
l
→rm
的切换；若初始状态为逻辑“0”，即初始阻值为rh，应使三值忆阻器两端电压在区间[1,1.2)内，实现rh→rm
的切换；若初始状态为逻辑“1”，即初始阻值为rm，应使三值忆阻器两端电压在区间(-1.2,1.2)内，保持rm不变。由于不能确定初始状态，故可将写逻辑“1”分为两个步骤：先施加(-1.2,-1]区间内的任一电压，再施加[1,1.2)区间内的任一电压。取-1.1v和1.1v共同作为写逻辑“1”电压，记为v
write1
。
[0017]
最后对图1中电路的读操作进行分析，当双向开关掷向“read”端时，选通的存储单元将与电阻ri(i＝1，2，3
…
)串联，此时可通过测量ri上的分压v
ri
来判断选通单元的逻辑状态，其判断依据需要通过交叉阵列的预读操作得到。预读操作是指在已知选通单元逻辑状态的情况下去测量ri上的分压，并将测量结果作为判别电压。
[0018]
通过预读操作可以得到两个判别电压v
judge1
和v
judge2
，当vr》＝v
judge1
时，判定选通单元为逻辑“2”，当v
judge2
《＝vr《v
judge1
时，判定选通单元为逻辑“1”，当vr《v
judge2
时，判定选通单元为逻辑“0”。为了保证判别电压的可靠性，可以通过改变交叉阵列的尺寸或交叉阵列中非选通单元的逻辑分布(非选通单元为全“0”、全“1”、全“2”或均匀分布等)情况来进行多次预读操作。本节中电阻ri的阻值为800ω，通过预读操作得到的两个判别电压v
judge1
和v
judge2
分别为0.4v和0.3v，电压源vi(i＝1，2，3
…
)对选通单元施加的读操作电压为0.5v，记为vread
。
[0019]
本领域的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来验证本发明，而并非作为对本发明的限定，只要是在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落在本发明的保护范围内。
技术特征：
1.基于三值忆阻器1t1m交叉阵列复位和读写的实现方法，其特征在于：所述交叉阵列中的阵列单元是由一个三值忆阻器m
i
串联一个晶体t
i
管组成；所述晶体管的导通电压为4v，记为v
dd
，三值忆阻器的三个稳定的阻值分别为r
l
、r
m
和r
h
；当忆阻器两端的电压v≥1.2v时，忆阻器的阻值被置为r
l
；当1v≤v<1.2v时，若此时忆阻器阻值为r
h
则会迅速降至r
m
，否则会保持原有的状态不变；当-1v<v<1v时，忆阻器会继续保持原有的状态；当-1.2v<v≤-1v时，若此时忆阻器的阻值小于r
m
则会增加到r
m
，否则不发生变化；当v≤-1.2v时，忆阻器阻值被置为r
h
；三值忆阻器的负极都连有一个双向开关，用于选通读电路或写电路；当选通“write”端时，三值忆阻器将直接与地相连，这时向忆阻器施加适当的电压就可改变忆阻器的阻值；当选通“read”端时，三值忆阻器会串联一个电阻r
i
，施加相应的电压后，通过测量电阻r
i
上的分压来判断三值忆阻器的阻值；电压源v
1-v4用于向忆阻器施加相应的操作电压，晶体管的导通与否则通过电压源v
dd1-v
dd4
控制。
技术总结
本发明涉及一种基于三值忆阻器1T1M交叉阵列复位和读写的实现方法。本发明中的阵列单元由一个三值忆阻器M
技术研发人员：
张新睿 王晓媛 李谱 黎小静
受保护的技术使用者：
杭州电子科技大学
技术研发日：
2021.12.30
技术公布日：
2022/4/8
