CN102638030A - 一种基于阻变忆阻器的电压保护电路及其应用 - Google Patents

一种基于阻变忆阻器的电压保护电路及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于阻变忆阻器的电压保护电路及其应用。本发明的电压保护电路包括：电阻连接至运算放大器的一个输入端；运算放大器的另一输入端接地；阻变忆阻器连接在电阻连接至运算放大器的一端与运算放大器的输出端之间；阻变忆阻器为双极阻变忆阻器；电阻和阻变忆阻器与运算放大器的连接为同相电压保护电路或者为反相电压保护电路。本发明利用加在阻变忆阻器两端的电压超过发生阻变的阈值时，阻变忆阻器的阻值变小的特性，通过在电阻与运算放大器的输出端之间连接阻变忆阻器，使得当输入电压变大时，输出电压不会过高，从而以起到保护元件的作用。本发明的电压保护电路，可调范围宽，电路稳定，好控制，而且电路简单。

Description

一种基于阻变忆阻器的电压保护电路及其应用
技术领域
本发明涉及一种电压保护电路，尤其涉及一种基于阻变忆阻器的电压保护电路及其应用。
背景技术
随着人类文明的进步和信息产业的发展，人们对于电路集成度的要求越来越高。阻变忆阻器由于具有结构简单、面积小、便于大规模集成、非挥发存储及阻值连续可变等优点，而迅速受到业界的广泛关注。而应用阻变忆阻器的电路，也因为阻变存储器的特点而具备了高集成度、速度快、低功耗操作及断电后数据可保持等特性，进而得到了迅速的发展，包括阻变忆阻器在现场可编程门阵列FPGA、可编程电路、神经电路及逻辑应用等等领域电路的研究都在如火如荼地展开。然而，阻变忆阻器的实体器件的制备成功不过几年时间，与应用硅基金属氧化物半导体MOS器件的电路相比，应用阻变忆阻器的基本功能电路单元尚不完善，急需进一步发展补充。
另一方面，在电路中，各元件只能在一定的电压范围内正常工作，如果由于电源电压不稳或者静电等原因造成超过工作电压，就会损坏元件，电路就不能正常工作，而且这种损坏是不可逆的。因此，在电路中接入稳定可靠的电压保护电路非常必要。
发明内容
针对以上现有技术需要解决的问题，提出本发明。
本发明的一个目的在于提供一种基于阻变忆阻器的电压保护电路。
本发明的电压保护电路包括：电阻连接至运算放大器的一个输入端；运算放大器的另一输入端接地；阻变忆阻器连接在电阻连接至运算放大器的一端与运算放大器的输出端之间；阻变忆阻器为双极阻变忆阻器；电阻和阻变忆阻器与运算放大器的连接为同相电压保护电路或者为反相电压保护电路。
阻变忆阻器可以是如阻变存储器、相变存储器等面积小且具有电阻连续变化的各种新型存储器件中的一种。
在同相电压保护电路中，电阻连接至运算放大器的正输入端；运算放大器的负输入端接地；阻变忆阻器的负极与运算放大器的正输入端相连，阻变忆阻器的正极与运算放大器的输出端相连。
在反相电压保护电路中，电阻连接至运算放大器的负输入端；运算放大器的正输入端接地；阻变忆阻器的正极与运算放大器的负输入端相连，阻变忆阻器的负极与运算放大器的输出端相连。
在阻变忆阻器的两端施加电压，阻变忆阻器具有一定的阻值。当施加在阻变忆阻器的两端的电压超过一定阈值时，阻变忆阻器的阻值发生改变。若阻变忆阻器的负极接地，在正极上施加正向电压，那么当电压较小时，阻变忆阻器的阻值不发生变化，当外加电压超过阻变忆阻器的发生阻变的阈值时，阻变忆阻器的阻值发生变化。由于外加电压为正向电压，且加在正极上，那么阻变忆阻器的阻值会随所施加的电压的增加而减小。
以同相电压保护电路为例说明本发明的电压保护电路的工作原理。初始状态时，阻变忆阻器的阻值M处于初始值M0，此时电路的输出Vo＝Vin·M0/R。根据电路原理可知工作时运算放大器的正输入端为虚地端，电压约为零，那么输出电压的大小即为阻变忆阻器两端的电压。若输入电压是线性增长的，那么当电压较低时，加在阻变忆阻器两端的电压不超过其发生阻变的阈值，那么输出会按照Vo＝Vin·M0/R的规律随着输入变化；当由于输入电压增加而使输出电压超过阻变忆阻器发生阻变的阈值时，加在阻变忆阻器两端的电压使得阻变忆阻器的阻值降低，从而使得输出电压稳定在稍低于阻变忆阻器发生阻变的阈值电压的位置，从而使得电路输出电压不会过高，以起到保护负载的作用。
本发明的电压保护电路保护电压时，若为等值保护，阻变忆阻器的初始值M0与电阻的阻值R相等，即M0＝R，此时，在输入电压未超过阈值时，输出电压与输入电压相等。阻变忆阻器的阻值的变化范围应当与电压保护的范围相对应。
本发明的另一个目的在于提出如上所述的电压保护电路用于放大电路或者衰减电路的用途。
本发明的电路可以用作放大电路或者衰减电路。用作放大电路时，阻变忆阻器的初始值M0大于电阻的阻值R，M0＞R；用作衰减电路时，阻变忆阻器的初始值M0小于电阻的阻值，M0＜R。
本发明的优点：
本发明利用加在阻变忆阻器两端的电压超过发生阻变的阈值时，阻变忆阻器的阻值变小的特性，通过在电阻连接至运算放大器的一端与运算放大器的输出端之间连接阻变忆阻器，使得当输入电压变大时，输出电压不会过高，从而以起到保护元件的作用。本发明的电压保护电路，可调范围宽，电路稳定，好控制，而且电路简单。
附图说明
图1是本发明的同相电压保护电路的电路图；
图2是本发明的反相电压保护电路的电路图；
图3是阻变忆阻器的阻值随电压变化的曲线图；
图4是本发明的同相电压保护电路的输入电压和输出电压随时间变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实例对本发明做进一步说明。
本发明的电阻和阻变忆阻器与运算放大器的连接为同相电压保护电路或者为反相电压保护电路。
如图1所示，在同相电压保护电路中，电阻连接至运算放大器的正输入端；运算放大器的负输入端接地；阻变忆阻器的负极与运算放大器的正输入端相连，阻变忆阻器的正极与运算放大器的输出端相连，其中R为电阻的阻值，M为阻变忆阻器的阻值，输出电压Vo＝Vin·M/R。
如图2所示，在反相电压保护电路中，电阻连接至运算放大器的负输入端；运算放大器的正输入端接地；阻变忆阻器的正极与运算放大器的负输入端相连，阻变忆阻器的负极与运算放大器的输出端相连，其中R为电阻的阻值，M为阻变忆阻器的阻值，输出电压Vo＝Vin·M/R。
如图3所示，阻变忆阻器的负极接地，在正极上施加正向电压，那么当电压较小时，阻变忆阻器的阻值不发生变化，当外加电压超过阻变忆阻器的阈值时，阻变忆阻器的阻值发生变化。由于外加电压为正向电压，且加在正极上，那么阻变忆阻器的阻值会随所施加的电压的增加而减小。
以图1所示的同相电压保护电路为例说明本发明的电压保护电路的工作原理。
初始状态时阻变忆阻器M处初始值M0，为了在输入电压未超过阈值时，输出电压等于输入电压，取该阻值与电阻R的阻值相等，即M0＝R＝10kΩ，此时电路的输出Vo＝Vin·M0/R＝Vin；阻变忆阻器发生阻变的阈值电压为1.5V。由电路原理可得工作时运算放大器的正输入端为虚地端，电压约为零，那么输出电压的大小即为阻变忆阻器两端的电压。输入一个在500ns时间内由0V至5V线性增长的电压，那么当输入电压小于1.5V(由0ns至250ns的时间范围内)时，加在阻变忆阻器两端的电压不超过其发生阻变的阈值，那么输出与输入相同，电压正常传输；当输入电压超过阻变忆阻器发生阻变的阈值1.5V(由250ns至500ns的时间范围内)时，按照阻变忆阻器在电路中的极性连接，加在阻变忆阻器的两端的电压使得阻变忆阻器的阻值降低，从而使得输出电压稳定在稍低于阻变忆阻器发生阻变的阈值电压的位置(约1.49V)，从而使得电路输出电压不会过高，以起到保护负载的作用。整个过程的电压随时间变化的规律如图4所示。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种电压保护电路，其特征在于，所述电路包括：电阻连接至运算放大器的一个输入端；运算放大器的另一输入端接地；阻变忆阻器连接在电阻连接至运算放大器的一端与运算放大器的输出端之间；阻变忆阻器为双极阻变忆阻器；电阻和阻变忆阻器与运算放大器的连接为同相电压保护电路或者为反相电压保护电路。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述阻变忆阻器是阻变存储器、相变存储器等面积小且具有电阻连续变化的各种新型存储器件中的一种。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，在同相电压保护电路中，电阻连接至运算放大器的正输入端；运算放大器的负输入端接地；阻变忆阻器的负极与运算放大器的正输入端相连，阻变忆阻器的正极与运算放大器的输出端相连。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，在反相电压保护电路中，电阻连接至运算放大器的负输入端；运算放大器的正输入端接地；阻变忆阻器的正极与运算放大器的负输入端相连，阻变忆阻器的负极与运算放大器的输出端相连。
5.一种权利要求1所述的电压保护电路用于放大电路或者衰减电路的用途。
6.如权利要求5所述的用途，其特征在于，用作放大电路时，阻变忆阻器的初始值M0大于电阻的阻值R，M0＞R；用作衰减电路时，阻变忆阻器的初始值M0小于电阻的阻值，M0＜R。
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