【实验技术成果】基于忆阻器的电子电路设计研究
忆阻器作为与电阻、电容和电感并列的第四种基本电路元件，它的阻值会跟随外界施加的电压或者电流而改变，是一种阻值可控的特殊电阻。其高阻值状态和低阻值状态之间往往相差多个数量级。通过写电路将外部数据写入忆阻器，数据直接以忆阻器阻值形式保存，即使在断电的情况下数据也不会丢失，之后可通过读电路将数据读取出来。同时，忆阻器还具有纳米级尺寸、低功耗、快速切换、良好的拓展性，与现有的CMOS技术完全兼容等优势，它在非易失性逻辑运算、类脑神经形态计算、电子电路、混沌系统以及人工智能等方面（如图1），有望取代现有的晶体管成为极具潜力的下一代电子元件，为电子行业的发展带来新的契机。
图1
为了国家精品课程《电子线路设计、测试与实验》的建设与改革发展，在电信学院梁琨副院长、实验中心邓天平书记、左冬红副主任的指导下，吴建新、朱盈盈、夏景圆等课题研究成员将新器件忆阻器引入电子电路设计与测试实验课程，从传统的模拟电路、数字电路设计，转向用新器件忆阻器为基础的电子电路设计与测试实验。另外，在与集成电路学院缪向水团队合作时，得到忆阻器的相关指标及电气参数，利用这些指标和参数定义并约束器件的物理特性，为不同材料、不同电气参数的忆阻器设计适合其工作的电子电路，推动基于忆阻器的电路与系统结构体系的完善，协助缪向水团队测试研究忆阻器的工作性能。
根据电子电路的设计需要，选用的软件有SIMULINK、MATLAB、MULTISIM及各种SPICE类软件。在SIMULINK中，有两种方法实现忆阻器模型的建立，一种为通过数字电路拟合忆阻器的顶端与底端之间端口的电压与电流特性方程；另一种直接利用SIMULINK元件库中基于HP实验室研究的理想忆阻器模型。在MATLAB中，可以通过编写代码，抽象设计与测试基于忆阻器的电路。在MULTISIM中，可以利用运放、乘法器、积分器等模拟器件，设计电路拟合特性方程，进而等效为忆阻器模型。SPICE类软件使用方法类似，可以通过SPICE语言定义元器件，导入器件库进行使用。完成器件的建模后，可以设计多种基于忆阻器的电子电路，研究的主要内容有子项目：忆阻三值数字逻辑电路设计、基于忆阻器的组合逻辑电路、基于忆阻器的数字滤波器研究、忆阻多位加法器研究、基于忆阻器的触发器设计与应用、基于忆阻器的典型可编程电路设计。图2是在SIMULINK平台上建立的忆阻器模型。
图2
采用忆阻器设计电子电路，并不限制忆阻器的模型种类与设计的电子电路内容，它可以是理想忆阻器、HP实验室的忆阻器、或者其他能够完成电路设计的模型，电子电路可以是模拟电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路，也可以是基于忆阻器的阻变存储器，混沌电路等等。在研究过程中，团队在《华中科技大学学报》（自然科学版）期刊发表论文一篇，在《实验技术与管理》期刊发表论文一篇。
该成果获2024年华中科技大学第十三届实验技术成果二等奖。
供稿单位：电子信息与通信学院
撰稿人：吴建新、朱盈盈
单位审核领导：梁琨、邓天平
