CN102623062B - 一种模拟忆阻器的电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种忆阻器仿真模型。其技术方案是：该模型由比较器(1)、乘法器(2)、积分器(3)、忆阻器等效电阻(4)和窗函数(5)组成。比较器(1)的输入端C1和C2与忆阻器等效电阻(4)的端子A和B对应连接，比较器(1)的输出端Co与乘法器(2)的输入端M1连接；乘法器(2)的输入端M2与忆阻器等效电阻(4)的端子B连接，乘法器(2)的输入端M3与窗函数(5)的输出端Fo连接，乘法器(2)的输出端Mo与积分器(3)的输入端Ii连接；积分器(3)的输出端分别与忆阻器等效电阻(4)的输入端W和窗函数(5)的输入端Fi连接。本发明能很好地模拟忆阻器的“激活”特性，阻值也呈非线性连续变化，其电气特性与HP实验室发现的忆阻器物理模型的电气特性相符。

Description

一种模拟忆阻器的电路

技术领域

本发明属于忆阻器技术领域。具体涉及一种忆阻器仿真模型。

背景技术

忆阻器(Memristor)是一种具有记忆功能的无源电子元件，1971年蔡少棠首次提出了忆阻器的概念并论证了其存在的科学依据。2008年HP实验室发现了一种具有记忆功能的纳米双端电阻，其电气特性与蔡少棠教授预测的忆阻器特性相符，从而证实了忆阻器的存在。忆阻器实际上就是一个具有记忆功能的非线性电阻，这一特性使其非常适合用于制造非易失性存储设备，也为开发具有类似人类大脑处理、存储信息能力的模拟式计算机铺平了道路。

目前忆阻器仅存在于实验室环境中，大批量的工业化生产还在进一步研究中，这一现状制约了忆阻器的应用研究。因此，根据忆阻器实际的物理特性建立忆阻器的仿真模型则成为分析和研究忆阻器的必要条件。

采用电阻、电容和电感等无源电子元件以及受控电源构造忆阻器的SPICE模型(BiolekD.,BiolekZ.,BiolkovaV.SPICEModelofMemristorwithNonlinearDopantDrift[J].RadioEngineering,June2009,vol.18,No.2)是目前常用的忆阻器建模方法之一。该方法利用储能元件电容和受控电源构成的积分电路对通过忆阻器的电流进行积分，得到电容两端的电压，该电压正比于流经忆阻器的电荷，也间接地反映了忆阻器阻值的变化。尽管通过这种方法得到的忆阻器SPICE模型的I-V曲线，q/φ曲线以及频率特性等与HP实验室发现的忆阻器的物理模型大致相符，但是，这些模型仅仅简单地假设忆阻器的阻值与流经器件的电荷成正比，使得这类模型无法描述忆阻器在“高电压”时所体现出的“激活”特性。

Y.V.Pershin等人提出了一种使用忆阻器实现“可编程”模拟电路的方法(PershinY.V.,DiVentraM.PracticalApproachtoProgrammableAnalogCircuitsWithMemristors[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemI:RegularPapers,August,2010,Vol.57,No.8)，他们借助数字电位器的概念构造了一种忆阻器模型，该模型在器件两端的电压低于阈值电压时表现为普通的电阻元件，在器件两端的电压高于阈值电压时表现出忆阻特性。因此利用幅值高于阈值电压的电压信号去改变忆阻器的状态就可以实现“可编程”电路。但是建立在数字电位器基础上的忆阻器模型，其可变化的阻值受电位器的精度限制，而且与忆阻器阻值非线性变化的特点不符。

发明内容

本发明旨在克服上述模型的缺陷，目的是提供一种具有“激活”特性和阻值非线性连续变化的忆阻器仿真模型。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：该模型由比较器、乘法器、积分器、忆阻器等效电阻和窗函数组成。

比较器的输入端C1和C2与忆阻器等效电阻的端子A和B对应连接，比较器的输出端Co与乘法器的输入端M1连接；乘法器的输入端M2与忆阻器等效电阻的端子B连接，乘法器的输入端M3与窗函数的输出端Fo连接，乘法器的输出端Mo与积分器的输入端Ii连接；积分器的输出端分别与忆阻器等效电阻的输入端W和窗函数的输入端Fi连接。

积分器的积分系数k为

k＝δ(|V_M|-V_T)·μ·R_on/D²(1)

式(1)中：δ(|V_M|-V_T)为比较器输出的结果；

R_on为忆阻器的最小阻抗；

D为忆阻器半导体氧化物材料厚度；

μ为杂质迁移速率。

由于采用上述技术方案，本发明在忆阻器仿真模型中引入了阈值电压，仿真模型中的比较器用于比较忆阻器等效电阻的端子A和B之间的电压V_M与比较器的基准值(即忆阻器的阈值电压V_T)的大小。当忆阻器两端电压低于阈值电压时，忆阻器状态变化很小或者基本不变，当忆阻器两端电压高于阈值电压时，忆阻器状态发生改变。

因此，本发明能很好地模拟忆阻器的“激活”特性，阻值也呈非线性连续变化，其电气特性与HP实验室发现的忆阻器物理模型的电气特性相符。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对本发明保护范围的限制。

一种忆阻器仿真模型。其结构如图1所示，该模型由比较器1、乘法器2、积分器3、忆阻器等效电阻4和窗函数5组成。

比较器1的输入端C1和C2与忆阻器等效电阻4的端子A和B对应连接，比较器1的输出端Co与乘法器2的输入端M1连接；乘法器2的输入端M2与忆阻器等效电阻4的端子B连接，乘法器2的输入端M3与窗函数5的输出端Fo连接，乘法器2的输出端Mo与积分器3的输入端Ii连接；积分器3的输出端分别与忆阻器等效电阻4的输入端W和窗函数5的输入端Fi连接。

积分器3的积分系数k为

k＝δ(|V_M|-V_T)·μ·R_on/D²(1)

式(1)中：δ(|V_M|-V_T)为比较器输出的结果；

R_on为忆阻器的最小阻抗；

D为忆阻器半导体氧化物材料厚度；

μ为杂质迁移速率。

积分器3的输出Io＝x，即x为忆阻器的状态变量，x₀为忆阻器的状态变量初始值

$x={\∫}_0^{t}k\·f\left(x\right)\·I_M\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}---\left(2\right)$

$x_0=\frac{R_{off}-R_{init}}{\mathrm{\Δ}R},\mathrm{\Δ}R=R_{off}-R_{on}---\left(3\right)$

式(2)和式(3)中：

I_M为流经忆阻器等效电阻的端子B的电流；

f(x)为窗函数，用于表征忆阻器杂质的非线性漂移；

R_init为忆阻器的初始阻值；

R_on为忆阻器的最小阻抗；

R_off为忆阻器的最大阻抗，

则忆阻器等效电阻R_M为

R_M＝R_off-x·ΔR(4)

本具体实施方式在忆阻器仿真模型中引入了阈值电压，仿真模型中的比较器1用于比较忆阻器等效电阻的端子A和B之间的电压V_M与比较器1的基准值(即忆阻器的阈值电压V_T)的大小。当忆阻器两端电压低于阈值电压时，忆阻器状态变化很小或者基本不变，当忆阻器两端电压高于阈值电压时，忆阻器状态发生改变。

因此，本具体实施方式能很好地模拟忆阻器的“激活”特性，阻值也呈非线性连续变化，其电气特性与HP实验室发现的忆阻器物理模型的电气特性相符。

Claims (1)

1.一种模拟忆阻器的电路，其特征在于该电路由比较器(1)、乘法器(2)、积分器(3)、忆阻器等效电阻(4)和窗函数(5)组成；

比较器(1)的输入端C1和C2与忆阻器等效电阻(4)的端子A和B对应连接，比较器(1)的输出端Co与乘法器(2)的输入端M1连接；乘法器(2)的输入端M2与忆阻器等效电阻(4)的端子B连接，乘法器(2)的输入端M3与窗函数(5)的输出端Fo连接，乘法器(2)的输出端Mo与积分器(3)的输入端Ii连接；积分器(3)的输出端分别与忆阻器等效电阻(4)的输入端W和窗函数(5)的输入端Fi连接。