[发明专利]基于三值忆阻器的数字与门实现方法

权利要求书

1.基于三值忆阻器的数字与门实现方法，其特征在于：

所采用的三值忆阻器为压控阈值型三值忆阻器，其数学模型由下式描述：

式中的a,b,c,d,e是模型中的可调参数，x为系统内部状态变量，v(t)表示忆阻器两端的电压，i(t)表示流经忆阻器的电流，v_th1和v_th2代表两个不同的阈值电压，R_L、R_M、R_H分别对应于该模型从低到高的三种不同的阻态，分别代表三值逻辑的“0”、“1”、“2”；

采用三个上述三值忆阻器构成所述数字与门，其中两个作为输入忆阻器，另一个作为输出忆阻器；

设R_in1和R_in2均是输入忆阻器，R_out是输出忆阻器，V是直流电源；忆阻器R_in1和R_in2的初始状态是数字与门的两个输入，R_out的初始状态为R_H；数字与门逻辑的真值表如下表所示：

数字与门的工作分为两个阶段：

第一阶段是初始阶段，在这一阶段中，直流电源V输出一个较小的测量电压V_MS，用于测量各个忆阻器的初始状态，通过读取忆阻器两端的电压和流经的电流来测算忆阻器的阻值；所述测量电压V_MS使得每个忆阻器上的分压都不会超过设定的阈值电压，因此忆阻器就不会改变其状态；

第二阶段是运行阶段，直流电源V输出运行电压V_OP用于完成逻辑运算；

情况一：令数学模型中的a＝e＝10，b＝10000，c＝d＝0.2，阈值电压v_th1和v_th2分别设为0.9V和1.1V；R_H、R_M、R_L分别为10kΩ、1kΩ、100Ω，且第一忆阻器M1作为第一输入忆阻器，第二忆阻器M2作为第二输入忆阻器，第三忆阻器M3作为输出忆阻器；第一忆阻器M1的正极与直流电源V相连，第一忆阻器M1的负极与第二忆阻器M2的正极相连，第二忆阻器M2的负极与第三忆阻器M3的正极相连，第三忆阻器M3的负极接地；

在数字与门的运行电压V_OP为1.5V下：

在运算阶段，当输入均为逻辑“0”时，输入忆阻器的阻值和为20kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.5V；当输入为“0”和“1”时，输入忆阻器的阻值和为11kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.714V；当输入为“0”和“2”时，输入忆阻器的阻值和为10.1kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.746V；在这三种情况下，输出忆阻器R_out两端的电压均未超过阈值0.9V，因此R_out保持初始状态R_H不变，即输出逻辑“0”；

当输入均为逻辑“1”时，输入忆阻器的阻值和为2kΩ，输出忆阻器两端的分压为1.25V；当输入为“1”和“2”时，此时输入忆阻器的阻值和为1.1kΩ，输出忆阻器两端的分压为1.35V；在这两种情况下，输出忆阻器R_out两端的电压均超过阈值电压v_th1＝0.9V，因此R_H均会置成R_M；因为输出忆阻器的阻值下降，因此器件两端的分压也会减小；前一种情况下，输出忆阻器两端的电压下降为0.5V，后一种情况下则是0.714V；这两种情况下由于R_out两端的电压没有超过v_th2＝1.1V，因此忆阻器的状态不会发生进一步的变化，因此逻辑门输出逻辑“1”；

当输入均为逻辑“2”时，输入忆阻器的阻值和为200Ω，输出忆阻器两端的分压为1.47V，大于阈值电压v_th1＝0.9V，使得R_out先被置为R_M；在R_out被置为R_M后，输出忆阻器两端的分压变为1.25V，仍大于阈值电压v_th2＝1.1V，所以输出忆阻器的状态最终切换为R_L，即逻辑门输出逻辑“2”；

情况二：令数学模型中的a＝e＝10，b＝10000，c＝d＝0.2，阈值电压v_th1和v_th2分别设为0.9V和1.1V；R_H、R_M、R_L分别为10kΩ、1kΩ、100Ω，且第一忆阻器M1作为第一输入忆阻器，第二忆阻器M2作为第二输入忆阻器，第三忆阻器M3作为输出忆阻器；第一忆阻器M1的负极与直流电源V相连，第一忆阻器M1的正极与第二忆阻器M2的负极相连，第二忆阻器M2的正极与第三忆阻器M3的正极相连，第三忆阻器M3的负极接地；

在数字与门的运行电压V_OP为1.5V下：

在运算阶段，当输入均为逻辑“0”时，输入忆阻器的阻值和为20kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.5V；当输入为“0”和“1”时，输入忆阻器的阻值和为11kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.714V；当输入为“0”和“2”时，输入忆阻器的阻值和为10.1kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.746V；在这三种情况下，输出忆阻器R_out两端的电压均未超过阈值0.9V，因此R_out保持初始状态R_H不变，即输出逻辑“0”；

当输入均为逻辑“1”时，输入忆阻器的阻值和为2kΩ，输出忆阻器两端的分压为1.25V；当输入为“1”和“2”时，此时输入忆阻器的阻值和为1.1kΩ，输出忆阻器两端的分压为1.35V；在这两种情况下，输出忆阻器R_out两端的电压均超过阈值电压v_th1＝0.9V，因此R_H均会置成R_M；因为输出忆阻器的阻值下降，因此器件两端的分压也会减小；前一种情况下，输出忆阻器两端的电压下降为0.5V，后一种情况下则是0.714V；这两种情况下由于R_out两端的电压没有超过v_th2＝1.1V，因此忆阻器的状态不会发生进一步的变化，因此逻辑门输出逻辑“1”；

当输入均为逻辑“2”时，输入忆阻器的阻值和为200Ω，输出忆阻器两端的分压为1.47V，大于阈值电压v_th1＝0.9V，使得R_out先被置为R_M；在R_out被置为R_M后，输出忆阻器两端的分压变为1.25V，仍大于阈值电压v_th2＝1.1V，所以输出忆阻器的状态最终切换为R_L，即逻辑门输出逻辑“2”；

情况三：令数学模型中的a＝e＝10，b＝10000，c＝d＝0.2，阈值电压v_th1和v_th2分别设为0.9V和1.1V；R_H、R_M、R_L分别为10kΩ、1kΩ、100Ω，且第一忆阻器M1作为第一输入忆阻器，第二忆阻器M2作为第二输入忆阻器，第三忆阻器M3作为输出忆阻器；第一忆阻器M1的正极与直流电源V相连，第一忆阻器M1的负极与第二忆阻器M2的正极相连，第二忆阻器M2的负极与第三忆阻器M3的负极相连，第三忆阻器M3的正极接地；

在数字与门的运行电压V_OP为-1.5V下：

在运算阶段，当输入均为逻辑“0”时，输入忆阻器的阻值和为20kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.5V；当输入为“0”和“1”时，输入忆阻器的阻值和为11kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.714V；当输入为“0”和“2”时，输入忆阻器的阻值和为10.1kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.746V；在这三种情况下，输出忆阻器R_out两端的电压均未超过阈值0.9V，因此R_out保持初始状态R_H不变，即输出逻辑“0”；

当输入均为逻辑“1”时，输入忆阻器的阻值和为2kΩ，输出忆阻器两端的分压为1.25V；当输入为“1”和“2”时，此时输入忆阻器的阻值和为1.1kΩ，输出忆阻器两端的分压为1.35V；在这两种情况下，输出忆阻器R_out两端的电压均超过阈值电压v_th1＝0.9V，因此R_H均会置成R_M；因为输出忆阻器的阻值下降，因此器件两端的分压也会减小；前一种情况下，输出忆阻器两端的电压下降为0.5V，后一种情况下则是0.714V；这两种情况下由于R_out两端的电压没有超过v_th2＝1.1V，因此忆阻器的状态不会发生进一步的变化，因此逻辑门输出逻辑“1”；

当输入均为逻辑“2”时，输入忆阻器的阻值和为200Ω，输出忆阻器两端的分压为1.47V，大于阈值电压v_th1＝0.9V，使得R_out先被置为R_M；在R_out被置为R_M后，输出忆阻器两端的分压变为1.25V，仍大于阈值电压v_th2＝1.1V，所以输出忆阻器的状态最终切换为R_L，即逻辑门输出逻辑“2”；

情况四：令数学模型中的a＝e＝10，b＝10000，c＝d＝0.2，阈值电压v_th1和v_th2分别设为0.9V和1.1V；R_H、R_M、R_L分别为10kΩ、1kΩ、100Ω，且第一忆阻器M1作为第一输入忆阻器，第二忆阻器M2作为第二输入忆阻器，第三忆阻器M3作为输出忆阻器；第一忆阻器M1的负极与直流电源V相连，第一忆阻器M1的正极与第二忆阻器M2的负极相连，第二忆阻器M2的正极与第三忆阻器M3的负极相连，第三忆阻器M3的正极接地；

在数字与门的运行电压V_OP为1.5V下：

在运算阶段，当输入均为逻辑“0”时，输入忆阻器的阻值和为20kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.5V；当输入为“0”和“1”时，输入忆阻器的阻值和为11kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.714V；当输入为“0”和“2”时，输入忆阻器的阻值和为10.1kΩ，输出忆阻器R_out两端分压为0.746V；在这三种情况下，输出忆阻器R_out两端的电压均未超过阈值0.9V，因此R_out保持初始状态R_H不变，即输出逻辑“0”；

当输入均为逻辑“1”时，输入忆阻器的阻值和为2kΩ，输出忆阻器两端的分压为1.25V；当输入为“1”和“2”时，此时输入忆阻器的阻值和为1.1kΩ，输出忆阻器两端的分压为1.35V；在这两种情况下，输出忆阻器R_out两端的电压均超过阈值电压v_th1＝0.9V，因此R_H均会置成R_M；因为输出忆阻器的阻值下降，因此器件两端的分压也会减小；前一种情况下，输出忆阻器两端的电压下降为0.5V，后一种情况下则是0.714V；这两种情况下由于R_out两端的电压没有超过v_th2＝1.1V，因此忆阻器的状态不会发生进一步的变化，因此逻辑门输出逻辑“1”；

当输入均为逻辑“2”时，输入忆阻器的阻值和为200Ω，输出忆阻器两端的分压为1.47V，大于阈值电压v_th1＝0.9V，使得R_out先被置为R_M；在R_out被置为R_M后，输出忆阻器两端的分压变为1.25V，仍大于阈值电压v_th2＝1.1V，所以输出忆阻器的状态最终切换为R_L，即逻辑门输出逻辑“2”。