PSPICE中新型器件憶阻器的建立

李 彤，陳佳楣，劉真真，Mariam，王鐵鋼，范其香

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

PSPICE中新型器件憶阻器的建立

李 彤1，陳佳楣1，劉真真1，Mariam1，王鐵鋼2，范其香2

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以用硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)、且軟件實(shí)現(xiàn)比較耗時(shí)的問(wèn)題，分析了憶阻器的特性及內(nèi)部機(jī)理，采用PSPICE軟件對(duì)憶阻器進(jìn)行了研究。憶阻器是除電阻、電感和電容之外的第4種基本無(wú)源電子器件，其阻值隨流經(jīng)它的電荷量變化而變化，在斷開電流時(shí)保持其阻值不變，有記憶電阻的性質(zhì)，可應(yīng)用于工程方面。本文通過(guò)PSPICE語(yǔ)句描述了憶阻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使用子電路的方法構(gòu)建了憶阻器模型，仿真驗(yàn)證了器件具有憶阻的特性。

憶阻器；子電路；PSPICE；建模

美國(guó)加州福尼亞大學(xué)伯克利分校蔡紹棠[1]教授從電路完備性和邏輯性角度，提出了由電荷q和磁通量φ關(guān)系組成的電路元件憶阻器。憶阻器是并列于電阻（R）、電容（C）和電感（L）的第4種基本電路元件。在外加信號(hào)的變化下，憶阻器的阻值改變，斷電時(shí)阻值不變。2008年美國(guó)惠普公司Strukov等[2]研制出憶阻器物理實(shí)體，隨后研究人員基于上述物理模型，根據(jù)物理公式實(shí)現(xiàn)了集成模擬電路的仿真（simulation program with integrated circuit emphasis，SPICE）[3-7]，但采用PSPICE新建憶阻器SPICE模型的相關(guān)研究較少。SPICE軟件是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的模擬電路仿真標(biāo)準(zhǔn)軟件，是由SPICE發(fā)展而來(lái)的用于微機(jī)系列的通用電路分析程序，主要應(yīng)用于大規(guī)模集成電路。PSPICE軟件可構(gòu)建子電路，將子電路作為新電子元器件添加到PSPICE模型庫(kù)中，形成元器件符號(hào)，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)調(diào)用。本文基于Hisham Aballa[8]的憶阻器改進(jìn)SPICE模型，介紹憶阻器子電路模塊的構(gòu)建及形成原器件的步驟，并連接于電路中，仿真驗(yàn)證憶阻器的特性。

1 憶阻器及其電路模型的建立

1.1 憶阻器

2008年美國(guó)惠普實(shí)驗(yàn)室研制出憶阻器物理實(shí)物，共3層結(jié)構(gòu)。其中，頂層和底層為金屬電極，中間為鈦氧化物薄膜。本文選用Hisham Abdalla提出的憶阻器SPICE改進(jìn)模型[8]，憶阻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 憶阻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

憶阻器是由2層鉑（platium，Pt）金屬電極和中間的薄膜組成的非線性時(shí)變器件。在外加電場(chǎng)的作用下，氧離子移動(dòng)形成導(dǎo)電性強(qiáng)的氧空缺層TiO2-x和含氧的隧道層TiO2。隧道層的寬度w由所加電壓決定。Hisham Abdalla對(duì)文獻(xiàn)[8]的憶阻器內(nèi)部公式進(jìn)行改進(jìn)，隧道勢(shì)壘高度單位用伏特取代電子伏特，隨時(shí)間變化的隧道勢(shì)壘寬度w單位用納米取代米。φ0、φI的單位為伏特，w1、w2和Δw的單位為納米，憶阻器的內(nèi)部公式為：

式中：J0、A、e的乘積為0.061 7；A為憶阻器隧道的橫截面積，A=104±2 500 nm2；e為電子電荷；J0=2πh，h為普朗克常量；Vg為隧道勢(shì)壘電壓；m為電子質(zhì)量；k為介電常數(shù)，k=5±1；φ0為電子的勢(shì)壘高度，φ0= 0.95±0.03 eV，φ0涉及隧道的變化時(shí)間。該模型的電壓和電流關(guān)于零點(diǎn)對(duì)稱。

為使計(jì)算簡(jiǎn)便，上述模型中忽略了實(shí)驗(yàn)中隧道正負(fù)面對(duì)導(dǎo)電性能的影響，隧道勢(shì)壘寬度w隨時(shí)間變化的公式如下。

當(dāng)電流為正向時(shí)，電流源Goff工作，隧道的勢(shì)壘寬度w為：

當(dāng)電流為反向時(shí)，電流源Gon工作，隧道的勢(shì)壘寬度w為：

當(dāng)w為納米時(shí)，foff=40±10（us），ion=8.9±0.3（uA），b=500±90（uA），Wc=107×10-3，aoff=1.2，aon=1.8。

1.2 憶阻器電路模型的建立

憶阻器的電路模型如圖2所示。將憶阻器中的隧道勢(shì)壘層視為電流為i的電壓控制電流源，導(dǎo)電層TiO2-x視為一系列電阻值RS。RS的電阻值設(shè)為215 Ω，int為憶阻器電路模型的電路節(jié)點(diǎn)。i在正反情況下隧道勢(shì)壘寬度變化電路圖如圖3所示。

圖2 憶阻器的電路模型

圖3 i在正反情況下隧道勢(shì)壘寬度變化電路圖

通過(guò)電容的電壓w為隧道的勢(shì)壘寬度，對(duì)應(yīng)式為：dw/dt=（Goff-Gon）/C，電流源Goff模型代表式（6）等式右邊，電流源Gon代表式（5）等式右邊。電容C為1 nf，隧道勢(shì)壘寬度的單位為μm。當(dāng)電流大于0時(shí)，電流源Goff工作；電流小于0時(shí)，電流源Gon工作。

2 憶阻器電路模型的PSPICE描述

根據(jù)建立的憶阻器電路模型，用PSPICE語(yǔ)言描述憶阻器。在PSPICE軟件中，構(gòu)建憶阻器的子電路模塊，定義語(yǔ)句為＜.SUBCKT子電路名節(jié)點(diǎn)N1，N2..＞[9-12]。本文中憶阻器子電路語(yǔ)句為：.SUBCKT modelmemristorplus minus。模型中定值參數(shù)描述為：

根據(jù)式（1），可用如下語(yǔ)句描述，其中語(yǔ)句過(guò)長(zhǎng)，采用“+”號(hào)連接。電壓控制電流源的字母符號(hào)為G，描述形式為：G＜名字＞，正向節(jié)點(diǎn)，負(fù)向節(jié)點(diǎn)，數(shù)值。電壓控制電壓源的字母符號(hào)為E，描述形式為：E＜名字＞，正向節(jié)點(diǎn)，負(fù)向節(jié)點(diǎn)，數(shù)值。

將215 Ω的RS電阻連接于中間和減節(jié)點(diǎn)，式（3）和式（4）的語(yǔ)句描述為：

式（2）利用PSPICE描述為：

同時(shí)，進(jìn)行i在正反情況下隧道勢(shì)壘寬度變化的語(yǔ)句描述，設(shè)定C1的電容、電阻等，式（5）和式（6）的描述為：

3 憶阻器電路模型在PSPICE中的建立步驟

憶阻器作為新型器件，在建立子電路模塊后需要轉(zhuǎn)化為電路符號(hào)圖的形式[13-17]，具體步驟如下。

（1）子電路憶阻器描述語(yǔ)句的開頭為.SUBCKT，結(jié)尾為.ENDS，將開頭、結(jié)尾以及中間描述部分用記事本存為.lib的格式。

（2）在PSPICE中的MODEL EDITOR模型編輯模塊中打開新生成的.lib文件，執(zhí)行FILE/CREAT PARTSM命令，產(chǎn)生文件存取位置的對(duì)話框，如圖4所示。輸入第一步中生成的.lib文件位置后，選擇輸出器件的位置。如果子電路程序正確，將產(chǎn)生信息如圖5所示。

圖4 新器件憶阻器模型存取位置

圖5 生成新器件時(shí)產(chǎn)生信息

（3）為使新器件能在電路圖中仿真，需要配置庫(kù)文件。找到安裝路徑下軟件模型庫(kù)中的nom.lib文件，在end語(yǔ)句前添加.lib“yizu.lib”語(yǔ)句完成注冊(cè)。在Capture中的PSPICE/Edit Simulation Profile下，點(diǎn)擊標(biāo)簽Libraries，產(chǎn)生對(duì)話框，進(jìn)行文件庫(kù)的配置；點(diǎn)擊Browse按鈕，查找并選中模型庫(kù)“yizu.lib”文件，點(diǎn)擊Add as Global添加為全局庫(kù)，從而該子電路可多次調(diào)用。

在存取位置中打開.OLB文件，可以看到新產(chǎn)生的憶阻器器件，如圖6所示。為使新器件能在電路圖中仿真，需要配置庫(kù)文件。驗(yàn)證新器件憶阻器的特性，將生成的憶阻器新模型連接于電路圖中，如圖7所示。線性電源設(shè)置如表1所示。

圖6 憶阻器器件模型

圖7 驗(yàn)證憶阻器效果小電路

表1 線性電源設(shè)置

電源為+3/-3 V的三角線性電源設(shè)置。0～1 s時(shí)為峰值3 V的線性三角波，1～2 s時(shí)為峰值-3 V的線性三角波，同時(shí)將3 kΩ電阻串聯(lián)于電路中。憶阻器的I-V特性曲線如圖9所示。

圖8 憶阻器的I-V特性曲線

從圖8可以看出，憶阻器的電導(dǎo)（dl/dV）在不同的區(qū)域呈現(xiàn)不同的值。因此，憶阻器的電阻是可變的，電阻值隨電流不同而不同。正如引言所述，這一特點(diǎn)恰好符合了憶阻器的典型特征，即在外加信號(hào)的變化下，憶阻器的阻值發(fā)生改變。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在PSPICE中對(duì)新器件憶阻器應(yīng)用子電路的方法進(jìn)行了建模，形成新器件并添加于模型庫(kù)中，分析了建模語(yǔ)句，介紹了建模的具體步驟，將憶阻器連接于小電路中驗(yàn)證了符合憶阻器特性的器件效果，從而證實(shí)了憶阻器可以更多地應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)方面。

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New model building of memristor based on PSPICE

LI Tong1，CHEN Jia-mei1，LIU Zhen-zhen1，Mariam1，WANG Tie-gang2，F(xiàn)AN Qi-xiang2
（1.School of Electronics Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In view of the problem that the neural network is difficult to be realized by hardware and software，the characteristics and the internal mechanism of the device are analyzed，and the PSPICE software is used to study the memristor.The memristor is the fourth basic passive resistance in addition to resistance，inductance and capacitance of the electronic device and its resistance changes with the changes of the amount of charge flowing through it，which has the nature of memory resistance and can be used in engineering.In this study，the internal structure of the memory is described by the PSPICE statement，and the memory model is constructed by using the method of subcircuit.The simulation results show that the device has the characteristics of memristor.

memristor；sub circuit；PSPICE；modeling

TM54

A

2095－0926（2016）04－0024－04

2016-07-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51501130）；天津市高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（TD12-5043）；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)人才計(jì)劃資助項(xiàng)目（RC14-53）.

李 彤（1977—），女，副教授，博士，研究方向?yàn)楣δ懿牧吓c器件.