PSPICE中新型器件忆阻器的建立

李 彤，陈佳楣，刘真真，Mariam，王铁钢，范其香

（1.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222；2.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222）

PSPICE中新型器件忆阻器的建立

李 彤1，陈佳楣1，刘真真1，Mariam1，王铁钢2，范其香2

（1.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222；2.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222）

针对神经网络难以用硬件设备实现、且软件实现比较耗时的问题，分析了忆阻器的特性及内部机理，采用PSPICE软件对忆阻器进行了研究。忆阻器是除电阻、电感和电容之外的第4种基本无源电子器件，其阻值随流经它的电荷量变化而变化，在断开电流时保持其阻值不变，有记忆电阻的性质，可应用于工程方面。本文通过PSPICE语句描述了忆阻器的内部结构，使用子电路的方法构建了忆阻器模型，仿真验证了器件具有忆阻的特性。

忆阻器；子电路；PSPICE；建模

美国加州福尼亚大学伯克利分校蔡绍棠[1]教授从电路完备性和逻辑性角度，提出了由电荷q和磁通量φ关系组成的电路元件忆阻器。忆阻器是并列于电阻（R）、电容（C）和电感（L）的第4种基本电路元件。在外加信号的变化下，忆阻器的阻值改变，断电时阻值不变。2008年美国惠普公司Strukov等[2]研制出忆阻器物理实体，随后研究人员基于上述物理模型，根据物理公式实现了集成模拟电路的仿真（simulation program with integrated circuit emphasis，SPICE）[3-7]，但采用PSPICE新建忆阻器SPICE模型的相关研究较少。SPICE软件是美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的模拟电路仿真标准软件，是由SPICE发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序，主要应用于大规模集成电路。PSPICE软件可构建子电路，将子电路作为新电子元器件添加到PSPICE模型库中，形成元器件符号，可实现重复调用。本文基于Hisham Aballa[8]的忆阻器改进SPICE模型，介绍忆阻器子电路模块的构建及形成原器件的步骤，并连接于电路中，仿真验证忆阻器的特性。

1 忆阻器及其电路模型的建立

1.1 忆阻器

2008年美国惠普实验室研制出忆阻器物理实物，共3层结构。其中，顶层和底层为金属电极，中间为钛氧化物薄膜。本文选用Hisham Abdalla提出的忆阻器SPICE改进模型[8]，忆阻器的内部结构如图1所示。

图1 忆阻器的内部结构

忆阻器是由2层铂（platium，Pt）金属电极和中间的薄膜组成的非线性时变器件。在外加电场的作用下，氧离子移动形成导电性强的氧空缺层TiO2-x和含氧的隧道层TiO2。隧道层的宽度w由所加电压决定。Hisham Abdalla对文献[8]的忆阻器内部公式进行改进，隧道势垒高度单位用伏特取代电子伏特，随时间变化的隧道势垒宽度w单位用纳米取代米。φ0、φI的单位为伏特，w1、w2和Δw的单位为纳米，忆阻器的内部公式为：

式中：J0、A、e的乘积为0.061 7；A为忆阻器隧道的横截面积，A=104±2 500 nm2；e为电子电荷；J0=2πh，h为普朗克常量；Vg为隧道势垒电压；m为电子质量；k为介电常数，k=5±1；φ0为电子的势垒高度，φ0= 0.95±0.03 eV，φ0涉及隧道的变化时间。该模型的电压和电流关于零点对称。

为使计算简便，上述模型中忽略了实验中隧道正负面对导电性能的影响，隧道势垒宽度w随时间变化的公式如下。

当电流为正向时，电流源Goff工作，隧道的势垒宽度w为：

当电流为反向时，电流源Gon工作，隧道的势垒宽度w为：

当w为纳米时，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 忆阻器电路模型的建立

忆阻器的电路模型如图2所示。将忆阻器中的隧道势垒层视为电流为i的电压控制电流源，导电层TiO2-x视为一系列电阻值RS。RS的电阻值设为215 Ω，int为忆阻器电路模型的电路节点。i在正反情况下隧道势垒宽度变化电路图如图3所示。

图2 忆阻器的电路模型

图3 i在正反情况下隧道势垒宽度变化电路图

通过电容的电压w为隧道的势垒宽度，对应式为：dw/dt=（Goff-Gon）/C，电流源Goff模型代表式（6）等式右边，电流源Gon代表式（5）等式右边。电容C为1 nf，隧道势垒宽度的单位为μm。当电流大于0时，电流源Goff工作；电流小于0时，电流源Gon工作。

2 忆阻器电路模型的PSPICE描述

根据建立的忆阻器电路模型，用PSPICE语言描述忆阻器。在PSPICE软件中，构建忆阻器的子电路模块，定义语句为＜.SUBCKT子电路名节点N1，N2..＞[9-12]。本文中忆阻器子电路语句为：.SUBCKT modelmemristorplus minus。模型中定值参数描述为：

根据式（1），可用如下语句描述，其中语句过长，采用“+”号连接。电压控制电流源的字母符号为G，描述形式为：G＜名字＞，正向节点，负向节点，数值。电压控制电压源的字母符号为E，描述形式为：E＜名字＞，正向节点，负向节点，数值。

将215 Ω的RS电阻连接于中间和减节点，式（3）和式（4）的语句描述为：

式（2）利用PSPICE描述为：

同时，进行i在正反情况下隧道势垒宽度变化的语句描述，设定C1的电容、电阻等，式（5）和式（6）的描述为：

3 忆阻器电路模型在PSPICE中的建立步骤

忆阻器作为新型器件，在建立子电路模块后需要转化为电路符号图的形式[13-17]，具体步骤如下。

（1）子电路忆阻器描述语句的开头为.SUBCKT，结尾为.ENDS，将开头、结尾以及中间描述部分用记事本存为.lib的格式。

（2）在PSPICE中的MODEL EDITOR模型编辑模块中打开新生成的.lib文件，执行FILE/CREAT PARTSM命令，产生文件存取位置的对话框，如图4所示。输入第一步中生成的.lib文件位置后，选择输出器件的位置。如果子电路程序正确，将产生信息如图5所示。

图4 新器件忆阻器模型存取位置

图5 生成新器件时产生信息

（3）为使新器件能在电路图中仿真，需要配置库文件。找到安装路径下软件模型库中的nom.lib文件，在end语句前添加.lib“yizu.lib”语句完成注册。在Capture中的PSPICE/Edit Simulation Profile下，点击标签Libraries，产生对话框，进行文件库的配置；点击Browse按钮，查找并选中模型库“yizu.lib”文件，点击Add as Global添加为全局库，从而该子电路可多次调用。

在存取位置中打开.OLB文件，可以看到新产生的忆阻器器件，如图6所示。为使新器件能在电路图中仿真，需要配置库文件。验证新器件忆阻器的特性，将生成的忆阻器新模型连接于电路图中，如图7所示。线性电源设置如表1所示。

图6 忆阻器器件模型

图7 验证忆阻器效果小电路

表1 线性电源设置

电源为+3/-3 V的三角线性电源设置。0～1 s时为峰值3 V的线性三角波，1～2 s时为峰值-3 V的线性三角波，同时将3 kΩ电阻串联于电路中。忆阻器的I-V特性曲线如图9所示。

图8 忆阻器的I-V特性曲线

从图8可以看出，忆阻器的电导（dl/dV）在不同的区域呈现不同的值。因此，忆阻器的电阻是可变的，电阻值随电流不同而不同。正如引言所述，这一特点恰好符合了忆阻器的典型特征，即在外加信号的变化下，忆阻器的阻值发生改变。

4 结束语

本文在PSPICE中对新器件忆阻器应用子电路的方法进行了建模，形成新器件并添加于模型库中，分析了建模语句，介绍了建模的具体步骤，将忆阻器连接于小电路中验证了符合忆阻器特性的器件效果，从而证实了忆阻器可以更多地应用于电路设计方面。

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New model building of memristor based on PSPICE

LI Tong1，CHEN Jia-mei1，LIU Zhen-zhen1，Mariam1，WANG Tie-gang2，FAN 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

国家自然科学基金资助项目（51501130）；天津市高等学校创新团队培养计划资助项目（TD12-5043）；天津职业技术师范大学人才计划资助项目（RC14-53）.

李 彤（1977—），女，副教授，博士，研究方向为功能材料与器件.