CMOS tabanlı memristör okuma devresi tasarımı
Design of CMOS based memristor readout integrated circuits
Yazar: ŞEYMA SONGÜL ÖZDİLLİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DİNÇER GÖKCEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Hafızalı direnç anlamına gelen memristör, Dr. Leon CHUA tarafından dördüncü pasif devre elemanı olarak ilk defa 1971 yılında literatürde teorik bir kavram olarak yerini almıştır. Memristörün bir devre elemanı olarak kullanıma uygun ilk üretimi 2008 yılında HP (İng. Hewlett Packard Business) tarafından yapılmıştır. Memristörün üzerine uygulanan gerilimin büyüklüğüne ve polaritesine bağlı olarak, memristörün direncinde değişimler meydana gelmektedir. Memristörün direnç değeri, gerilim kaynağı devreden çıkarılsa bile kaybolmamaktadır. Bu sebeple memristör kalıcı hafızaya sahiptir. Gerek nanoboyutlarda üretilmesi, gerek az güç tüketmesi, gerekse memristörün kalıcı hafızaya sahip olmasından dolayı, yeni nesil hafıza sistemlerinde önemli bir yapıtaşı olma potansiyeline sahiptir. Hafıza sistemlerinin yanı sıra sinapslara benzeyen elektronik özelliklerinden dolayı nöromorfik devrelerde ve lineer olmayan karakteristiklerinden dolayı da kaotik devrelerde geniş kullanım alanına sahip olması beklenmektedir. 
Bu çalışmada memristörlerde tek/çoklu bit veri depolanması ve mantık işlemlerinin yapılabilmesi için bir donanım mimarisi geliştirilmiştir. Analog ortamda kaydedilen bir verinin sayısal ortama aktarılması gerekmektedir. Analog sinyali sayısal ortama aktarmak için analog sayısal dönüştürücü kullanılması gerekmektedir. Genel olarak bakıldığında, analog sayısal çevirici (ADC)'ler farklı amaçlar için kullanılmaktadır. Bunlardan başlıcaları ölçüm ve veri toplamadır. ADC'ler çalışma frekans bantlarına ve sahip oldukları çözünürlüklere göre sınıflandırılır. Bu tez kapsamında, yüksek çözünürlük, düşük çalışma frekansına sahip delta sigma kipleyici, memristörde depolanan veriyi analog ortamdan sayısal ortama aktarmak için kullanılmıştır. 
Delta sigma ADC'ler aşırı örnekleme çevirici sınıfına girer ve bu tip çeviricilerde aşırı örnekleme oranı (OSR) arttırılarak, çözünürlüğün artması sağlanır. Gürültü şekillendirme ile analog sinyalin doğası gereği sahip olduğu gürültü yüksek frekanslara itilir. Ayrıca gürültü şekillendirme işlemi ile çıkış sinyalini gürültüden arındırarak sinyal gürültü oranının (SNR) artması ve dolayısıyla doğruluğun da artması sağlanır. Delta sigma ADC, kipleyici ve ondalık/süzgeç olarak adlandırılan alt bloklardan oluşur. Delta sigma kipleyicinin çıkışı süzgeç bloğundan geçirilerek sinyalin düşük frekanslarında sahip olduğu gürültü süzgeçlenir. Ondalık blok ile çıkış sinyalinin frekansı, giriş sinyalinin frekansına getirilir. 
Memristör tabanlı hafıza çaprazlama dizisi için tasarlanan okuma devresi literatürde bulunan okuma devrelerinden farklı olarak gerilim izleyiciye ve kipleyicinin alt bloklarından biri olan D flip-flop saat sinyalini sağlamak için eklenen tek kararlı multivibratöre sahip olması açısından özgün bir devre tasarımına sahiptir. Tasarımda kullanılan gerilim izleyici, memristor çaprazlama dizisi ile okuma işleminin gerçekleştiği ADC arasında izolasyonu sağlayarak doğrusal ve kayıpsız bir okuma gerçekleşmesini sağlamıştır.
Delta sigma kipleyicinin temel yapı taşı olan işlemsel yükselteç, D flip-flop ve 2x1 giriş yolseçici devrelerinin tasarımı TSMC 180 nm CMOS (İng. Complemantary Metal-Oxide Semiconductor) teknolojisi kullanılarak yapılmıştır. Tasarlanan işlemsel yükselteç 65 dB açık döngü kazancına, 57o faz payına ve 57 MHz kazanç bant genişliğine sahiptir. Tasarlanan işlemsel yükselteç, memristör okuma devresi mimarisinin tasarımında kullanılarak okuma işlemi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Memristor - short form for memory resistor - which was first proposed as the fourth passive circuit element by Dr. Leon Chua in 1971 has taken its place in the academic literature as a theoretical concept. Its first production as a circuit element has been completed in 2008 by HP. The resistance value of the memristor changes depending on the voltage applied across the memristor and its polarity. Memristor can maintain its last state even the power supply is removed. Thus memristor is said to have non-volatile memory. Memristor has the potential to be a crucial component for the new generation memory systems owing to its properties of production in nanometer scale, low power consumption, and nonvolatile memory. In addition to memory systems, it is expected to be widely used in chaotic circuitry due to its nonlinear characteristics and in neuromorphic circuitry due to its electrical properties being similar to synapses.
This study suggests a hardware architecture that can be implemented in electronic systems to process and store data in the form of single and multi-bit. This analog data needs to be converted to digital data by the use of analog-to-digital converter(ADC). ADCs offered in the market serve various purposes, couple of which are measurement and data acquisition. ADCs are classified by the frequency width that they operate in and by their resolution. In this thesis, a  delta sigma modulator is used to read data which is stored in the memristor.
Delta sigma ADC is the type of oversampling converters. In oversampling converters, resolution increases as the oversampling ratio (OSR) increases. Quantization noise is pushed up to the higher frequencies during the noise shaping process. Likewise, the modulator output voltage has less noise due to the noise shaping and this causes higher signal-to-noise ratio (SNR) as well as higher accuracy. Delta sigma ADC has two subblocks: modulator and decimator/digital filter blocks. The output of the delta sigma modulator is passed through the low pass filter to filter out the noise at low frequencies of the signal. Output signal frequency of the filter block is downsampled to the input frequency in the decimator block. 
Designed readout circuitry for the memristor crossbar array has a unique circuit design with a voltage follower and a monostable multivibrator added to provide the D flip-flop clock signal, one of the sub-blocks of the modulator, unlike the other readout circuitries in the literature. The voltage follower which is used in the design provides isolation between the memristor crossbar array and the delta sigma ADC where the reading process takes place, providing a linear and lossless reading.
The operational amplifier, D flip-flop and 2x1 multiplexer, which are the basic building blocks of the Delta sigma modulator, are designed using TSMC 180 nm CMOS technology. The designed operational amplifier has 65 dB open loop gain, 57o phase margin and 57 MHz unity gain frequency. The designed operational amplifier is used in the design of memristor readout circuitry architecture and the reading process is completed succesfully.