CN117054747A - 一种忆阻器的测试电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种忆阻器的测试电路，属于忆阻器的测试技术领域。本发明公开了一种忆阻器的测试电路，包括电压源模块1、恒流源模块2、模拟开关3、采样电阻4、限流判断模块5、忆阻器6及辅助测量采集模块7，具有以下优点：(1)该忆阻器的测试电路的测试仪器体积小巧方便携带，能够即时验证器件；(2)限制电流可达微安级别，能够达到较小的限制电流值,并且能够实时检测电流值；(3)检测的阻值范围大，能够覆盖大部分使用场景，可以扩展成两端器件IV曲线测量；(4)成本相比大型仪器较低。
Description
技术领域
本发明属于忆阻器的测试领域，涉及一种忆阻器的测试电路。
背景技术
忆阻器(记忆电阻器)是近年来被发现的一种新型电子元件。忆阻器的电阻值会随着通过它的电流大小变化而变化，并且在断电后其电阻值会保持原状态，因此它具有电阻值记忆的特性。忆阻器由于其在开关性能、集成度、非易失性等方面的优势以及其多值存储的特性，自2008年问世以来就引起了研究人员的广泛关注，在下一代计算机基础物理器件领域具有广阔的应用前景。
忆阻器具有非易失性存储特性，因此，通常需要测试忆阻器的直流电压-电流特性曲线，以获得忆阻器的SET电压、RESET电压以及高低阻态窗口值。忆阻器电阻转变特性的测试流程为：SET过程给忆阻器施加偏压从零增加到设定的正极性或负极性电压值，然后再递减到零，在扫描的过程中电压在超过忆阻器的SET电压值后，忆阻器的电阻值会从高电阻态变为低电阻态。RESET过程是指忆阻器施加的偏压从零减小到设定的负极性电压值，然后再递增到零，在扫描的过程中电压在超过忆阻器的RESET电压值后，忆阻器的电阻值会从低电阻态变为高电阻态。通常需要在SET过程中限制通过忆阻器的电流值，防止忆阻器由高电阻态跳变到低电阻态时通过的电流值太大，从而损坏器件的性能或导致器件硬击穿而损坏。
目前，常见的忆阻器电学测试仪器主要有国外的Keithley 4200A-SCS以及安捷伦B-1500A，这些大型仪器不仅价格昂贵，且体积较大，不利于测试的便携性以及时效性。
因此，需要研究新的忆阻器的测试电路来解决测试的便携性以及时效性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种忆阻器的测试电路。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.一种忆阻器的测试电路，包括电压源模块1、恒流源模块2、模拟开关3、采样电阻4、限流判断模块5、忆阻器6及辅助测量采集模块7，所述电压源模块1的输出端与模拟开关3的第一支路3-1相连，所述恒流源模块2与模拟开关3的第二支路3-2相连，所述模拟开关3的输出端与采样电阻4的一端相连，所述采样电阻4的另一端与忆阻器6的输入端相连，所述限流判断模块5并联在采样电阻4的两端，所述忆阻器6的输出端与辅助测量采集模块7相连。
优选的，所述电压源模块1包括DAC芯片和电压源模块第一运算放大器，其中DAC芯片的输出端与电压源模块第一运算放大器的同相输入端连接，电压源模块第一运算放大器的反向输入端与第一运算放大器的输出端连接。
优选的，所述恒流源模块2包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第七电阻R7和第八电阻R8的阻值相等，且所述第六电阻R6的阻值设置为恒流源的输出值；
其中第一电阻R1的两端分别与外部输入的参考电压和第一运算放大器U1的反相输入端相连；第二电阻R2的两端分别与第一运算放大器U1的反相输入端和第一运算放大器U1的输出端相连；第一运算放大器U1的同相输入端接地；第三电阻R3的两端分别与第一运算放大器U1的输出端和第二运算放大器U2的反相输入端相连；第四电阻R4的两端分别与第四运算放大器U4的输出端和第二运算放大器U2的反相输入端相连；第五电阻R5的两端分别与第二运算放大器U2的输出端和第二运算放大器U2的反相输入端相连；第六电阻R6的两端分别与第二运算放大器U2的输出端和第三运算放大器U3的同相输入端相连；第三运算放大器U3的反相输入端与第三运算放大器U3输出端相连；第七电阻R7的两端分别与第三运算放大器U3的输出端和第四运算放大器U4的反相输入端相连；第八电阻R8的两端分别与第四运算放大器U4的输出端和第四运算放大器U4的反相输入端相连。
优选的，所述限流判断模块5包括第一电流检测运算放大器A1、第一电压运算放大器A2、第一比较器、第二比较器、判断信号ⅠS1、判断信号ⅡS2和单片机；
其中采样电阻4的两端均接入第一电流检测运算放大器A1的输入端；第一电流检测运算放大器A1的输出端接入第一电压运算放大器A2的输入端；第一电压运算放大器A2的输出接入第一比较器的反相输入端；第一比较器的同相输入端与外部输入的参考电压相连，第一比较器的输出端连接判断信号ⅠS1；第二比较器的同相输入端连接恒流源模块2的输出端，第二比较器的反相输入端接电压源模块1的输出端，第一比较器的输出端连接判断信号ⅡS2；
所述判断信号ⅠS1和判断信号ⅡS2接入单片机的输入寄存器，模拟开关3包含两个支路，其中第一支路3-1的输入端接入电压源模块1的输出端，第二支路3-2的输入端接入恒流源模块2的输出端，模拟开关3的控制信号输入端接入单片机的输出寄存器中。
优选的，所述辅助测量采集模块7包括第一跨阻运算放大器U-7-1、辅助测量采集模块第一电阻R-7-1、第一电容C1、ADC芯片和辅助测量采集模块第一运算放大器U-7-2；
所述忆阻器6的输出端接入第一跨阻运算放大器U-7-1的反相输入端，第一跨阻运算放大器U-7-1的同相输入端接地，第一跨阻运算放大器U-7-1的输出端接入辅助测量采集模块第一电阻R-7-1的一端后再连接到辅助测量采集模块第一运算放大器U-7-2的同相输入端，辅助测量采集模块第一运算放大器U-7-2的反相输入端分别连接辅助测量采集模块第一运算放大器U-7-2的输出端和ADC芯片的输入端。
本发明的有益效果在于：本发明公开了一种忆阻器的测试电路，包括电压源模块1、恒流源模块2、采样电阻4、限流判断模块5、忆阻器6及辅助测量采集模块7，具有以下优点：(1)该忆阻器的测试电路的测试仪器体积小巧方便携带，能够即时验证器件；(2)限制电流可达微安级别，能够达到较小的限制电流值,并且能够实时检测电流值；(3)检测的阻值范围大，能够覆盖大部分使用场景，可以扩展成两端器件IV曲线测量；(4)成本相比大型仪器较低。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明忆阻器测试电路的具体电路图；
图2为本发明忆阻器测试电路的限流判断模块具体电路图；
图3为本发明忆阻器测试电路的电压源模块具体电路图；
图4为本发明忆阻器测试电路的恒流源模块具体电路图；
图5为本发明忆阻器测试电路的辅助采样模块具体电路图；
其中1为电压源模块、2为恒流源模块(其中U1为第一运算放大器、U2为第二运算放大器、U3为第三运算放大器、U4为第四运算放大器、R1为第一电阻、R2为第二电阻、R3为第三电阻、R4为第四电阻、R5为第五电阻、R6为第六电阻、R7为第七电阻、R8为第八电阻)、3为模拟开关(3-1为第一支路、3-2为第二支路)、4为采样电阻、5为限流判断模块(其中A1为第一电流检测运算放大器、A2为第一电压运算放大器、S1为判断信号Ⅰ、S2为判断信号Ⅱ)、6为忆阻器、7为辅助测量采集模块(其中U-7-1为第一跨阻运算放大器、R-7-1为辅助测量采集模块第一电阻、C1为第一电容、U-7-2为辅助测量采集模块第一运算放大器)。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
一种忆阻器的测试电路(如图1所示)，包括电压源模块1、恒流源模块2、模拟开关3、采样电阻4、限流判断模块5、忆阻器6及辅助测量采集模块7，所述电压源模块1的输出端与模拟开关3的第一支路3-1相连，所述恒流源模块2与模拟开关3的第二支路3-2相连，所述模拟开关3的输出端与采样电阻4的一端相连，所述采样电阻4的另一端与忆阻器6的输入端相连，所述限流判断模块5并联在采样电阻4的两端，所述忆阻器6的输出端与辅助测量采集模块7相连。
其中上述电压源模块1包括DAC芯片和电压源模块第一运算放大器，其中DAC芯片的输出端与电压源模块第一运算放大器的同相输入端连接，电压源模块第一运算放大器的反向输入端与第一运算放大器的输出端连接。
上述恒流源模块2包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第七电阻R7和第八电阻R8的阻值相等，且所述第六电阻R6的阻值设置为恒流源的输出值；
其中第一电阻R1的两端分别与外部输入的参考电压和第一运算放大器U1的反相输入端相连；第二电阻R2的两端分别与第一运算放大器U1的反相输入端和第一运算放大器U1的输出端相连；第一运算放大器U1的同相输入端接地；第三电阻R3的两端分别与第一运算放大器U1的输出端和第二运算放大器U2的反相输入端相连；第四电阻R4的两端分别与第四运算放大器U4的输出端和第二运算放大器U2的反相输入端相连；第五电阻R5的两端分别与第二运算放大器U2的输出端和第二运算放大器U2的反相输入端相连；第六电阻R6的两端分别与第二运算放大器U2的输出端和第三运算放大器U3的同相输入端相连；第三运算放大器U3的反相输入端与第三运算放大器U3输出端相连；第七电阻R7的两端分别与第三运算放大器U3的输出端和第四运算放大器U4的反相输入端相连；第八电阻R8的两端分别与第四运算放大器U4的输出端和第四运算放大器U4的反相输入端相连。
上述限流判断模块5包括第一电流检测运算放大器A1、第一电压运算放大器A2、第一比较器、第二比较器、判断信号ⅠS1、判断信号ⅡS2和单片机；其中采样电阻4的两端均接入第一电流检测运算放大器A1的输入端；第一电流检测运算放大器A1的输出端接入第一电压运算放大器A2的输入端；第一电压运算放大器A2的输出接入第一比较器的反相输入端；第一比较器的同相输入端与外部输入的参考电压相连，第一比较器的输出端连接判断信号ⅠS1；第二比较器的同相输入端连接恒流源模块2的输出端，第二比较器的反相输入端接电压源模块1的输出端，第一比较器的输出端连接判断信号ⅡS2；上述判断信号ⅠS1和判断信号ⅡS2接入单片机的输入寄存器，模拟开关3包含两个支路，其中第一支路3-1的输入端接入电压源模块1的输出端，第二支路3-2的输入端接入恒流源模块2的输出端，拟开关的控制信号输入端接入单片机的输出寄存器中。
上述辅助测量采集模块7包括第一跨阻运算放大器U-7-1、辅助测量采集模块第一电阻R-7-1、第一电容C1、ADC芯片和辅助测量采集模块第一运算放大器U-7-2；其中忆阻器6的输出端接入第一跨阻运算放大器U-7-1的反相输入端，第一跨阻运算放大器U-7-1的同相输入端接地，第一跨阻运算放大器U-7-1的输出端接入辅助测量采集模块第一电阻R-7-1的一端后再连接到辅助测量采集模块第一运算放大器U-7-2的同相输入端，辅助测量采集模块第一运算放大器U-7-2的反相输入端分别连接辅助测量采集模块第一运算放大器U-7-2的输出端和ADC芯片的输入端。
下面结合附图详细说明本发明对忆阻器的直流电压-电流特性进行测试的过程以及原理，具体如下所示：
在SET及RESET过程，电压源模块中的DAC芯片为忆阻器提供线性增加的电压激励，电压源模块第一运算放大器提升DAC芯片输出电压的带负载能力。
在限流判断模块中，具体电路图如图2(其中DAC为DAC芯片、U1为第一运算放大器、Vout为输出电压)所示，限流判断模块通过采样电阻将流过的电流转换成电压，计算公式如下所示：
V采＝I忆*R采*A1*A2(1.1)
其中A1为限流判断模块中第一电流检测运算放大器的增益、A2为限流判断模块中第一电压运算放大器的增益，V采为流过采样电阻两端的电压经过第一电流检测运算放大器与第一电压运算放大器放大后的电压、R采为采样电阻的阻值，I忆为流过采样电阻的电流(即流过忆阻器的电流值)。
外部输入的参考电压的电压值(V参)通过设置的限制电流(I限)计算得出，计算公式如下所示：
V参＝I限*R采*A1*A2 (1.2)
当采样的电压(流过采样电阻两端的电压经过第一电流检测运算放大器与第一电压运算放大器放大后的电压)大于参考电压(V采＞V参)，此时流过采样电阻的电流值(I忆)大于限制电流的电流值(I限)，限流判断模块的第一比较器输出高电平到单片机，单片机切换模拟开关到限流支路。
切换到限流支路后，限流判断模块中的第二比较器开始工作，
V恒流源＝I忆*(R采+R忆) (1.3)
电压源模块中的具体电路如图3所示，当恒流源模块中的电压大于电压源模块中的电压(V恒流源＞V电压源)时，电压源输出的电压激励忆阻器产生的电流将小于限流值，单片机将控制模拟开关切换到电压源输出支路。
恒流源模块中的具体电路图如图4所示，其通过第三运算放大器(U3)将输出电压(V输出)值反馈回输出电压，使得第六电阻(R6)的左端输入电压满足以下公式：
V输入＝V参考+V输出 (1.4)
其中V输入为第六电阻左端输入电压、V参考为恒流源外部输入参考电压、V输出为第六电阻右端输出电压。
流过第六电阻(R6)的电流(I恒)按照如下公式计算：
I恒＝(Vted输入-Vted输出)/R6＝(Vted参考+Vted输入-Vted输出)/R6＝Vted参考/R6 (1.5)
其中，R6为第六电阻(R6)的阻值(设置为恒流源的输出值)，从而达到输出电流值恒定。
辅助采样模块的具体电路图如图5所示，其中辅助采样模块包括第一跨阻运算放大器、助测量采集模块第一电阻、第一电容、ADC和第一运算放大器，第一跨阻运算放大器将电流(I忆)值转换成电压(V1)值，其计算公式如下所示(其中为R为第一跨阻运算放大器的跨阻值)：
V1＝-I忆*R (1.6)
恒流源模块中的第二运算放大器(U2)构成的反相比例放大电路将第一跨阻运算放大器输出的负电压(V1)转换成正电压(V2)，方便ADC采样，具体如下：
V2＝-V1(1.7)
辅助测量采集模块的第一电阻和第一电容构成的低通滤波器滤除输出电压的高频噪声，减小噪声对信号的干扰，其中f低通为滤波频率值、R1为辅助测量采集模块第一电阻(R1)的电阻值、C1为第一电容(C1)的电容值，f低通的计算公式如下所示：
采样后的电压送到单片机中计算出电流值，R为第一跨阻运算放大器的跨阻阻值，具体计算方法为：
由此绘制出直流特性的IV曲线。
在实际测试中，若限制电流需要设置为100uA，则恒流源模块中的第六电阻(R6)设置为10KΩ，参考电压可以设置为1V，限制电流模块采样电阻设为1Ω，A1、A2均为100倍，则限制电流模块的参考电压设为1V。
在扫描过程中，若电流超过100uA，则限制电流模块中第一电压运算放大器A2的输出将超过1V，大于参考电压，则限制电流模块将模拟开关切换到恒流源支路，此时由恒流源模块产生100uA的恒定电流，达到限流的目的。
综上所述，本发明公开了一种忆阻器的测试电路，包括电压源模块1、恒流源模块2、模拟开关3、采样电阻4、限流判断模块5、忆阻器6及辅助测量采集模块7，具有以下优点：(1)该忆阻器的测试电路的测试仪器体积小巧方便携带，能够即时验证器件；(2)限制电流可达微安级别，能够达到较小的限制电流值,并且能够实时检测电流值；(3)检测的阻值范围大，能够覆盖大部分使用场景，可以扩展成两端器件IV曲线测量；(4)成本相比大型仪器较低。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种忆阻器的测试电路，包括电压源模块(1)、恒流源模块(2)、模拟开关(3)、采样电阻(4)、限流判断模块(5)、忆阻器(6)及辅助测量采集模块(7)，其特征在于，所述电压源模块(1)的输出端与模拟开关(3)的第一支路(3-1)相连，所述恒流源模块(2)与模拟开关(3)的第二支路(3-2)相连，所述模拟开关(3)的输出端与采样电阻(4)的一端相连，所述采样电阻(4)的另一端与忆阻器(6)的输入端相连，所述限流判断模块(5)并联在采样电阻(4)的两端，所述忆阻器(6)的输出端与辅助测量采集模块(7)相连。
2.根据权利要求1所述忆阻器的测试电路，其特征在于，所述电压源模块(1)包括DAC芯片和电压源模块第一运算放大器，其中DAC芯片的输出端与电压源模块第一运算放大器的同相输入端连接，电压源模块第一运算放大器的反向输入端与第一运算放大器的输出端连接。
3.根据权利要求1所述忆阻器的测试电路，其特征在于，所述恒流源模块(2)包括第一运算放大器(U1)、第二运算放大器(U2)、第三运算放大器(U3)、第四运算放大器(U4)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)和第八电阻(R8)，所述第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第七电阻(R7)和第八电阻(R8)的阻值相等，且所述第六电阻(R6)的阻值设置为恒流源的输出值；
其中第一电阻(R1)的两端分别与外部输入的参考电压和第一运算放大器(U1)的反相输入端相连；第二电阻(R2)的两端分别与第一运算放大器(U1)的反相输入端和第一运算放大器(U1)的输出端相连；第一运算放大器(U1)的同相输入端接地；第三电阻(R3)的两端分别与第一运算放大器(U1)的输出端和第二运算放大器(U2)的反相输入端相连；第四电阻(R4)的两端分别与第四运算放大器(U4)的输出端和第二运算放大器(U2)的反相输入端相连；第五电阻(R5)的两端分别与第二运算放大器(U2)的输出端和第二运算放大器(U2)的反相输入端相连；第六电阻(R6)的两端分别与第二运算放大器(U2)的输出端和第三运算放大器(U3)的同相输入端相连；第三运算放大器(U3)的反相输入端与第三运算放大器(U3)输出端相连；第七电阻(R7)的两端分别与第三运算放大器(U3)的输出端和第四运算放大器(U4)的反相输入端相连；第八电阻(R8)的两端分别与第四运算放大器(U4)的输出端和第四运算放大器(U4)的反相输入端相连。
4.根据权利要求1所述忆阻器的测试电路，其特征在于，所述限流判断模块(5)包括第一电流检测运算放大器(A1)、第一电压运算放大器(A2)、第一比较器、第二比较器、判断信号Ⅰ(S1)、判断信号Ⅱ(S2)和单片机；
其中采样电阻(4)的两端均接入第一电流检测运算放大器(A1)的输入端；第一电流检测运算放大器(A1)的输出端接入第一电压运算放大器(A2)的输入端；第一电压运算放大器(A2)的输出接入第一比较器的反相输入端；第一比较器的同相输入端与外部输入的参考电压相连，第一比较器的输出端连接判断信号Ⅰ(S1)；第二比较器的同相输入端连接恒流源模块(2)的输出端，第二比较器的反相输入端接电压源模块(1)的输出端，第一比较器的输出端连接判断信号Ⅱ(S2)；
所述判断信号Ⅰ(S1)和判断信号Ⅱ(S2)接入单片机的输入寄存器，模拟开关(3)包含两个支路，其中第一支路(3-1)的输入端接入电压源模块(1)的输出端，第二支路(3-2)的输入端接入恒流源模块(2)的输出端，模拟开关(3)的控制信号输入端接入单片机的输出寄存器中。
5.根据权利要求1所述忆阻器的测试电路，其特征在于，所述辅助测量采集模块(7)包括第一跨阻运算放大器(U-7-1)、辅助测量采集模块第一电阻(R-7-1)、第一电容(C1)、ADC芯片和辅助测量采集模块第一运算放大器(U-7-2)；
所述忆阻器(6)的输出端接入第一跨阻运算放大器(U-7-1)的反相输入端，第一跨阻运算放大器(U-7-1)的同相输入端接地，第一跨阻运算放大器(U-7-1)的输出端接入辅助测量采集模块第一电阻(R-7-1)的一端后再连接到辅助测量采集模块第一运算放大器(U-7-2)的同相输入端，辅助测量采集模块第一运算放大器(U-7-2)的反相输入端分别连接辅助测量采集模块第一运算放大器(U-7-2)的输出端和ADC芯片的输入端。
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| CN202311047334.XA Pending CN117054747A (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | 一种忆阻器的测试电路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117054747A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117877561A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-04-12 | 之江实验室 | 忆阻器件的测试方法、***、装置及存储介质 |
-
2023
- 2023-08-18 CN CN202311047334.XA patent/CN117054747A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117877561A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-04-12 | 之江实验室 | 忆阻器件的测试方法、***、装置及存储介质 |
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