CN102570976A - 一种基于忆阻器的范德波尔振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于脉冲技术领域，为一种基于忆阻器的范德波尔振荡器电路，其结构为：电阻和电感串联后与电容并联构成谐振电路，激励电源和忆阻器串联构成负阻电路；谐振电路与负阻电路串联。本发明利用忆阻器的负阻特性和电阻、电容和电感并联谐振电路相连构成范德波尔振荡器回路。利用忆阻器的伏安特性曲线，将忆阻器在负阻状态时的工作点的电压作为整个振荡器的激励电源的电压。由于电阻电容电感处于并联谐振状态。这种基于忆阻器的范德波尔振荡器是把呈负阻特性的忆阻器直接与谐振回路相接，以抵消回路中的正阻损耗，产生自激振荡的振荡器。总之，本发明对温度变化、核辐射均不敏感，电路简单，体积小，成本低，容易做成集成电路芯片。

Description

一种基于忆阻器的范德波尔振荡器电路

技术领域

本发明属于脉冲技术领域，具体涉及一种基于忆阻器的范德波尔振荡器电路的设计方案。

背景技术

1971年，加州大学伯克利分校Leon Chua教授预测了除电感电容电阻外第四种基本原器件忆阻器。这种器件能够通过施加不同方向、大小电压，改变其阻值。由于可以使用不同阻值代表数字信号，忆阻器在计算机存储领域应用前景广泛。它使用单个元件就可以实现一组闪存电路的功能，并且耗能更少，速度更快。当把忆阻器与半导体电路混合时，可以大幅降低处理器芯片中用于存储的晶体管数量，明显降低成本。

2006年，惠普终于通过实验证实了忆阻器的存在，并在2008年于自然杂志发表论文得到世界认可。在证明忆阻器存在后，惠普还在不断推动这项技术的进步，包括2009年实现忆阻器电路堆叠，2010年又证实忆阻器可实现逻辑电路，即可以在存储芯片中直接实施运算功能。惠普宣布2013年将作出忆阻器存储器，取代闪存，实现忆阻器商业化。目前围绕忆阻器的应用电路研究也在不断展开。

范德波尔振荡器是一种常见的非线性系统，它是20世纪20年代由荷兰物理学家和电气专家范德波尔在飞利浦公司工作时，研究电子管振荡器和模拟人的心脏的基础上提出来的。范德波尔振荡器模型使人们对负阻振荡器的原理和设计过程的理解更加深入，也使人们清楚地认识到微波振荡器呈现的非线性现象。在数学及非线性动力学的研究中范德波尔振荡器常被用来演示非线性动力系统的稳定性，极限环，Hopf分岔等基本概念。因此范德波尔振荡器在实际电路中的实现有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于忆阻器的范德波尔振荡器电路，它具有噪声低，对温度变化和核辐射均不敏感的特点。

本发明提供的一种基于忆阻器的范德波尔振荡器电路，其特征在于，它包括激励电源、忆阻器、电阻、电感和电容，电阻和电感串联后与电容并联构成谐振电路，激励电源和忆阻器串联构成负阻电路；谐振电路与负阻电路串联。

作为上述技术方案的改进，所述激励电源通过下电极探针与忆阻器的下电极连接，忆阻器的上电极通过上电极探针分别与电感和电容连接。

作为上述技术方案的进一步改进，忆阻器在安装时置于抗震测试台上，通过显微镜将上电极探针扎在忆阻器上电极上，下电极探针扎在忆阻器下电极上，忆阻器下电极通过同轴电缆线与激励电源正端相连。

与普通的线性电阻相比，忆阻器是一种能够记忆流经其上电荷的特殊非线性电阻。本发明正是基于忆阻器阻值的非线性特性。本发明基于忆阻器设计了范德波尔振荡电路，该振荡器电路利用了忆阻器的负阻特性，与传统的范德波尔振荡电路的负阻器件有着明显的区别。

本发明利用忆阻器的负阻特性和电阻、电容和电感并联谐振电路相连构成范德波尔振荡器回路。利用忆阻器的伏安特性曲线，将忆阻器在负阻状态时的工作点的电压作为整个振荡器的激励电源的电压。由于电阻电容电感处于并联谐振状态。这种基于忆阻器的范德波尔振荡器是把呈负阻特性的忆阻器直接与谐振回路相接，以抵消回路中的正阻损耗，产生自激振荡的振荡器。

总之，本发明提供的基于忆阻器的范德波尔振荡器噪声低，对温度变化、核辐射均不敏感，电路简单，体积小，成本低，容易做成集成电路芯片。

附图说明

图1是基于忆阻器的范德波尔振荡器的原理图。

图2a是忆阻器的伏安特性曲线，图2b是2a中虚线区域A的放大示意图。

图3是本发明系统结构测试系统的示意图。

图4是基于忆阻器的负阻电路系统结构忆阻器单元测试系统的示意图。

图5是范德波尔振荡器的振荡波形测试结果示意图。

图中1.激励电源，2.忆阻器，3.下电极探针，4.忆阻器上电极，5.上电极探针，6.忆阻器下电极，7.电阻电感电容并联电路板，8.防震测试台，9.加热恒温装置，10.示波器

具体实施方式

本发明利用忆阻器的伏安特性曲线，将忆阻器在负阻状态时的工作点的电压作为整个振荡器的激励电源的电压。如图1所示，基于忆阻器的范德波尔振荡器包括激励电源1、忆阻器2、电阻R、电感L和电容C，电阻R和电感L串联后与电容C并联构成谐振电路，激励电源1和忆阻器2串联构成负阻电路；谐振电路与负阻电路串联构成范德波尔振荡器。

由基尔霍夫电路定律得：

i₁＝i₂+i₃                        (1)

$l\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{ri}}_2-i_{1}m=0---\left(2\right)$

$l\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}+r{i}_2-\frac{1}{c}{\∫i}_3\mathrm{dt}=0---\left(3\right)$

式中l表示电感L的值，c表示电容C的值，r表示电阻R的值，m表示忆阻器的值，i₁表示流经忆阻器的电流，i₂表示流经电感L的电流，i₃表示流经电容C的电流，t表示时间。将公式(3)微分，然后代入公式(2)并利用公式(1)的关系，最后得到

$\frac{d^2{i}_2}{{\mathrm{dt}}^2}+\left(\frac{\mathrm{rcm}-l}{\mathrm{rcm}}\right)\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}+\left(\frac{m-r}{\mathrm{mlc}}\right)i_2=0---\left(4\right)$

式中，令

称为振荡器的衰减系数；

称为振荡器的固有角频率。

公式(4)为线性微分方程，解此方程，并代入初始条件：t＝0时，

得到它的解为

$i_2=\frac{-v}{2l\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2-{{\mathrm{\ω}}_0}^2}}{e}^{-\mathrm{\δt}}(e^{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2-{{\mathrm{\ω}}_0}^{2}t}}-e^{-\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2-{{\mathrm{\ω}}_0}^{2}t}})---\left(5\right)$

于是得出：

δ＞0时，即

或

时，产生衰减振荡；

δ＝0时，即

或

时，产生等幅振荡；

δ＜0时，即

或

时，产生增幅振荡。

由此可知，要想振荡逐渐增强或者维持等幅振荡，就必须控制忆阻器产生负电阻。当产生增幅振荡或者等幅振荡时，它的振荡频率为：

$f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_0}^2-{\mathrm{\δ}}^2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{lc}}-\frac{r^2}{{4l}^2}}---\left(6\right)$

由于电路中有忆阻器存在，忆阻器本身的负阻特性(如图2b Q₀所处的工作区)，抵消了LC回路的正电阻，整个串联等效电阻R变为零。则可以推出基于忆阻器的范德波尔振荡器的频率为：

$f=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{lc}}}---\left(7\right)$

其中l是并联谐振电路中的电感L的值，c是并联谐振电路中的电容C的值。

如图3所示，本发明提供的振荡器电路应用于测试时的系统结构图，它包括由忆阻器本身构成的负阻电路模块，电阻电容电感并联的谐振电路，抗震测试台8、加热恒温装置9和示波器10。负阻电路模块包括激励电源1和忆阻器2，下电极探针3的一端与激励电源1连接，另一端与忆阻器2的下电极6连接。忆阻器2的上电极4与上电极探针5的一端连接，上电极探针5的另一端用于连接谐振电路电路板7。

如图4所示，测试系统安装时，将忆阻器2置于抗震测试台8上，通过显微镜将上电极探针4扎在忆阻器上电极5上，下电极探针3扎在忆阻器下电极6上。忆阻器下电极6通过同轴电缆线与分别与图2中的激励电源1正端相连。

谐振电路电路板7再通过同轴电缆线与激励电源1负端相连。由此完成了振荡器回路。并将谐振电路电路板7、忆阻器2、忆阻器上电极4、上电极探针5、忆阻器下电极6、下电极探针3都置于抗震测试台8上，便于振荡器电路的起振和工作。将加热恒温装置9置于抗震测试台8下，用于测试振荡器电路频率对温度变化的敏感程度。用示波器10测试谐振电路电路板7上的波形，从而判定振荡器是否正常工作。

与传统的范德波尔振荡器相比，本发明具有以下特点：(1)利用加热恒温台对电路本身进行加热恒温并实时测量来确定振荡器的频率稳定度；(2)利用电位器来代替并联谐振电路中的电阻，来使振荡器起振；(3)利用忆阻器的负阻特性来产生抵消回路中的正阻损耗；(4)利用电阻电容电感并联谐振电路决定振荡器最终稳定的振荡频率。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

取一个忆阻器样品测其伏安特性曲线如图3所示。在图中工作点Q₀表明忆阻器处于负阻状态，忆阻器所加电压为0.22V。将激励电源电压调制0.22V，并将并联电路板上的电阻用电位器来代替以方便振荡器调试起振。其中电阻为10欧姆，电感为0.2亨，电容为0.5法拉。则根据范德波尔振荡器频率计算公式(7)得出基于忆阻器的范德波尔振荡器的频率为

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{lc}}}=0.5\mathrm{Hz}.$

通过示波器观测范德波尔振荡器波形如图5所示，由示波器可以测量出改振荡器的输出功率为8dBm，打开加热恒温台，加热并恒温到60℃，测得改振荡器从室温到60℃范围内频率稳定度可达8ppm/℃。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于忆阻器的范德波尔振荡器电路，其特征在于，它包括激励电源、忆阻器、电阻、电感和电容，电阻和电感串联后与电容并联构成谐振电路，激励电源和忆阻器串联构成负阻电路；谐振电路与负阻电路串联。

2.   根据权利要求1所述的基于忆阻器的范德波尔振荡器电路，其特征在于，所述激励电源通过下电极探针与忆阻器的下电极连接，忆阻器的上电极通过上电极探针分别与电感和电容连接。

3.根据权利要求2所述的基于忆阻器的范德波尔振荡器电路，其特征在于，所述忆阻器在安装时置于抗震测试台上，通过显微镜将上电极探针扎在忆阻器上电极上，下电极探针扎在忆阻器下电极上，忆阻器下电极通过同轴电缆线与激励电源正端相连。

4.根据权利要求3所述的基于忆阻器的范德波尔振荡器电路，其特征在于， 所述电阻采用电位器。

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