[发明专利]一种可调随机振荡器及其应用

说明书

本发明公布了一种可调随机振荡器及其应用，该可调随机振荡器由可调电阻与叠层器件串联形成，叠层器件包括金属顶电极，阈值开关材料层，阻变材料层和金属底电极，通过改变可调电阻的阻值以及阻变材料的电阻实现随机性和采样帧间隔的调节。本发明可调随机振荡器适用于压缩感知采样系统，可调随机振荡器输出的周期性电压信号作为传输门和数模转换器的使能信号，当可调随机振荡器的输出电压超过传输门和模数转换器的使能电压后，模数转换器开始采集外界信号；当可调随机振荡器的输出电压低于传输门和模数转换器的使能电压后，采集停止，压缩感知采样系统完成采样帧。本发明实现了低成本、高效率的信息采集，对搭建万物互联的信息网络有着重要意义。

技术领域

本发明属于半导体(semiconductor)、压缩感知(compressed sensing)和互补型金属氧化物半导体(CMOS)混合集成电路技术领域，具体涉及一种适用于压缩感知采样的可调随机振荡器。

背景技术

随着数字化信息处理技术的发展，当今世界已经进入了大数据时代。数字化生活对信息处理系统感知信息的分辨率和精准性都提出了新的要求。早期工作已经证明，连续时间有限带宽信号可以在服从奈奎斯特定律的前提下经由离散采样方式得到。然而，新兴应用发展产生的大量数据仍然很容易耗尽采样系统的算力，这一问题在采样系统部署在边缘设备上时更为突出。

作为一种新型信息感知技术，压缩感知技术可以降低稀疏信号的采样率，使信号的采样和压缩同时完成。压缩感知技术与传统采样技术的一个重要区别在于其对随机间隔采样点的要求。通常情况下，压缩感知系统使用CMOS电路模块产生随机稀疏采样时钟以完成非等间隔采样。目前许多研究的关注点在于利用新型器件实现高性能传感器和计算单元，但对于采样控制模块的关注较少。能产生可调随机性触发信号的控制模块往往具有复杂的结构，不仅限制了采样设备的小型化，也会带来额外的功耗问题。利用新型器件的非理想效应产生随机性和稀疏性采样时钟信号能显著提升压缩感知系统的集成密度和能量使用效率。

过渡金属氧化物的阈值开关和电阻开关特性已在很多领域得到了应用。例如忆阻器的应用引领了类脑计算的发展，而基于绝缘体-金属转变的阈值开关器件则可作为选通管应用在阻变存储器阵列中。随着加工技术的进步，器件的非理想效应已被大幅缓解。然而由于材料存在内在随机性(如晶界以及导电通道的随机位置变化)，器件特性的随机涨落无法完全消除。通常情况下，这些开关参数的随机涨落会降低器件的性能，甚至破坏系统的功能。然而，有效控制地这些随机性则有可能实现结构简单的随机数发生器，从而产生随机采样信号，由此实现耗能效，小型化的压缩感知采样系统。

发明内容

为克服现有压缩感知采样电路中随机时钟发生器面积和功耗过大的问题，本发明提出了一种基于阈值开关材料/阻变材料叠层器件的可调随机振荡器和基于可调随机振荡器的压缩感知采样系统。可调随机振荡器的电压震荡信号作为采样电路的使能信号，通过改变可调电阻的阻值以及阻变材料的电阻实现随机性和采样帧间隔的调节，从而实现非等间隔采样的压缩感知系统。压缩感知系统采样所得的数据可由正交匹配追踪(orthogonalmatching pursuit,OMP)算法恢复成为原始信号。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种可调随机振荡器，其特征在于，由可调电阻与叠层器件串联形成，叠层器件包括金属顶电极，阈值开关材料层，阻变材料层和金属底电极，如图1所示。通过改变可调电阻的阻值以及阻变材料的电阻实现随机性和采样帧间隔的调节。即当在串联结构两端施加恒定电压时，电压源会经由可调电阻向叠层器件的寄生电容充电，串联节点电压抬升，节点电压超过叠层器件的阈值电压后，叠层器件开启，对串联节点放电，串联节点电压下降，串联节点的充电-放电循环形成电压振荡，通过调节可调电阻阻值，可以改变电容充放电的RC弛豫时间，从改变串联节点的电压振荡周期。改变叠层器件阻变层的电阻会改变器件的阈值电压，从而改变充放电时间，因此通过此方式改变串联节点的电压振荡周期。

优选地，所述金属顶、底电极材料为导体材料，包括Ti、TiN、TaN、Ta、Al、AlN、W、Cu等；