[发明专利]一种基于忆阻器件的模数转换电路

说明书

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件的模数转换电路，用于进行模拟信号到数字信号的转换。

背景技术

模数转换器（ADC），是一种将模拟信号转换成相应的数字信号的电路。当今模拟电子技术及其器件日臻完善，数字技术、计算机软件更是日新月异，而模数转换技术作为模拟领域与数字领域进行信息交换的桥梁，在工程技术各个领域应用十分广泛，它使检测技术、智能仪器仪表、计算机测控技术等发生了更新换代的变化。

任何模数转换器都包括三个基本功能：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；量化是将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；编码则是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，这样也使得ADC的结构和分类错综复杂。

另一方面，忆阻器件（MEMRISTOR）是一种新型的二端器件，根据两端所加电压的不同，器件会在高阻态和低阻态之间转变。忆阻器件由高阻态转变为低阻态的过程称为置位（SET），由低阻态转变为高阻态的过程称为复位（RESET）。当给忆阻器件外加足够大的正向电压时，忆阻器件由高阻态变为低阻态，外加足够大的负向电压时，忆阻器件由低阻态变为高阻态，其阻态的变化还受外加信号的频率的影响，并且其阻值是非线性变化的。当忆阻器件两端电压低于阈值电压时，忆阻器件的状态变化很小或者基本不便，当忆阻器件的两端电压高于阈值电压时，忆阻器件的状态发生改变。由于忆阻器件的杂质迁移率受其材料的限制，在外加高频激励信号的一个周期内，忆阻器件没有充分的时间去调整阻值的变化，故而忆阻器件此时表现为普通的电阻元件。通常忆阻器件的高阻态和低阻态电阻值相差三个以上数量级，两种阻态的转变时间可低至纳秒量级，工作电压低，并且其阻态的变化还受到外加信号的频率和幅度的影响。

如何应用忆阻器件的上述特点设计出一种具有高精度、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件的模数转换电路。

本发明解决上述技术问题采用的方案是：一种基于忆阻器件的模数转换电路，包括压控振荡器、状态控制电路、频率比较电路和输出电路；

所述压控振荡器用于将输入模拟电压量的大小转换为由周期性交流信号频率的大小来表征的电信号，该电信号用于对所述频率比较电路进行编程；

所述状态控制电路用于根据控制时序来控制对所述频率比较电路的编程、状态读取和复位操作；

所述频率比较电路用于将所述压控振荡器输出的周期性交流信号的频率大小转换为由忆阻器件高低阻值表征的数字信号；

所述输出电路用于在状态控制电路的控制下对经过所述频率比较电路转换出来的数字信号进行输出。

进一步，所述频率比较电路包括线性电阻及忆阻器件，所述忆阻器件的顶电极（TE）与所述线性电阻的一端相连，其底电极（BE）接地。

进一步，所述状态控制电路包括第一开关、第二开关、第三开关及时序控制电路；压控振荡器的输出通过所述第一开关连接频率比较电路中的线性电阻的另一端；所述线性电阻的另一端还通过所述第二开关连接读取电压信号；所述忆阻器件的顶电极通过第三开关连接复位电压信号；所述时序控制电路用于产生控制时序分别控制第一开关、第二开关、第三开关的开关状态。

进一步，所述状态控制电路还包括第四开关，所述第四开关连接所述忆阻器件的顶电极及所述输出电路，所述时序控制电路产生的控制时序还用于控制所述第四开关的开关状态。

进一步，所述输出电路包括两个串联的反相器。