CN103281045A - 一种基于忆阻器件的低通、高通、带通、带阻滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体集成电路领域，其公开了一种新型的高稳定性、功耗小且占用面积小、容易集成的基于忆阻器件的低通滤波器，该低通滤波器具有输入端和输出端，其包括第一忆阻器件及负载电阻，所述第一忆阻器件的顶电极连接输入端，其底电极接输出端并通过所述负载电阻接地。此外，本发明还公开了基于忆阻器件实现的高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器，均具备高稳定性、功耗小且占用面积小、容易集成的优势，适用于对信号的滤波。

Description

一种基于忆阻器件的低通、高通、带通、带阻滤波器

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，特别涉及一种基于忆阻器件的低通、高通、带通、带阻滤波器，适用于对信号的滤波。

背景技术

人类正在进入信息时代，信号处理与滤波器设计是信息科学技术领域中一个不可或缺的重要内容。滤波器是一种允许某一频率范围内的信号通过，而对其他频率范围的信号具有较大的抑制作用的频率选择电路。

在传统的滤波器中，由于运放的增益和相移均为频率的函数，这就限制了RC有源滤波器的频率范围；有源C滤波器虽然容易集成，并且提高了滤波器的精度，但由于各支路元件均采用电容，所以运放没有直流反馈通道，其稳定性成为难题；无源滤波器和机械滤波器体积大，无法大规模集成。

随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，要应用的功能也越来越多，并且要求它们向高集成化的方向发展。

因此，如何实现一种高稳定性、功耗小且占用面积小、容易集成的滤波器成为当前研究的一项重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种新型的高稳定性、功耗小且占用面积小、容易集成的基于忆阻器件的低通、高通、带通、带阻滤波器。

本发明解决上述技术问题采用的方案是：一种基于忆阻器件的低通滤波器，具有输入端和输出端，其包括第一忆阻器件及负载电阻，所述第一忆阻器件的顶电极连接输入端，其底电极接输出端并通过所述负载电阻接地。

一种基于忆阻器件的高通滤波器，具有输入端和输出端，其包括第一忆阻器件及负载电阻，所述第一忆阻器件的顶电极连接输入端，其底电极接地；所述负载电阻与所述第一忆阻器件并联；所述输出端通过所述负载电阻接地。

一种基于忆阻器件的带通滤波器，具有输入端和输出端，其包括第一忆阻器件、第二忆阻器件、负载电阻、第一电阻、第二电阻；所述第一忆阻器件的顶电极连接输入端，其底电极通过第一电阻接地；所述第一忆阻器件的底电极通过所述第二电阻连接至第二忆阻器件的顶电极并连接输出端；所述第二忆阻器件的底电极接地；所述负载电阻与所述第二忆阻器件并联；所述输出端通过所述负载电阻接地。

一种基于忆阻器件的带阻滤波器，具有输入端和输出端，其包括低通滤波支路、高通滤波支路、第一输出电阻及第二输出电阻；所述高通滤波支路与低通滤波支路并联；所述低通滤波支路包括第一忆阻器件及负载电阻，所述第一忆阻器件的顶电极连接输入端，底电极通过负载电阻接地，通过第一输出电阻接到输出端；所述高通滤波支路包括第二忆阻器件，所述第二忆阻器件的顶电极连接输入端，并通过第二输出电阻接到输出端，其底电极接地。

本发明的有益效果是：基于忆阻器件实现的低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器具备高稳定性、功耗小且占用面积小、容易集成的优势，适用于对信号的滤波。

附图说明

图1为本发明中的低通滤波器应用示意图；

图2为本发明中的高通滤波器应用示意图；

图3为本发明中的带通滤波器应用示意图；

图4为本发明中的带阻滤波器应用示意图；

图5为低通滤波器的实施例的频率响应图；

图6为高通滤波器的实施例的频率响应图；

图7为带通滤波器的实施例的频率响应图；

图8为带阻滤波器的实施例的频率响应图；

图中，V_IN为输入端、V_OUT为输出端，M1为第一忆阻器件、M2为第二忆阻器件、R_LOAD为负载电阻、R1为第一电阻、R2为第二电阻、R_OUT1为第一输出电阻、R_OUT2为第二输出电阻、V_SOURCE为信号源、R_S为信号源的内阻、R_S1和R_S2为信号源内阻的等效电阻。

具体实施方式

忆阻器件是一种具有记忆功能的非线性电阻，当给忆阻器件外加正向电压时，忆阻器件的阻值降低，外加负向电压时，忆阻器件的阻值升高，其阻值的变化还受外加信号的频率和幅度的影响，并且其阻值是非线性变化的。当忆阻器件两端电压低于阈值电压时，忆阻器件的状态变化很小或者基本不变，当忆阻器件两端电压高于阈值电压时，忆阻器件的状态发生改变；由于忆阻器件的杂质迁移率受其材料的限制，在外加高频激励信号的一个周期内，忆阻器件没有充分的时间去调整阻值的变化，故而忆阻器件此时表现为普通的电阻元件。

通常忆阻器件的高阻态和低阻态下的阻值相差三个以上数量级，两种阻态的转变时间可低至纳秒量级，且工作电压低。利用忆阻器件的上述特点，本发明提出了基于忆阻器件的低通、高通、带通、带阻滤波器。

参见图1，本发明中的低通滤波器包括第一忆阻器件M1及负载电阻R_LOAD，所述第一忆阻器件M1的顶电极（TE）连接输入端V_IN，其底电极(BE)接输出端V_OUT并通过所述负载电阻R_LOAD接地；在应用时，将该低通滤波器的输入端V_IN连接信号源V_SOURCE的输出端口，信号源V_SOURCE通过内阻R_S提供交流输入信号。

其工作原理是：首先，对于低频输入信号，在输入信号的正半周期，由于初始时第一忆阻器件M1为高阻态，其阻值远大于R_S与R_LOAD，几乎所有的电压全都加在忆阻器件上，忆阻器件有足够的时间从高阻态变为低阻态，此时忆阻器件在电路中相当于一个阻值为低态电阻的线性电阻元件，在输入信号的负半周期，由于忆阻器件在正半周期时已经变为低阻态，此时忆阻器件阻值小于R_S和R_LOAD，由于R_S与R_LOAD的分压作用，忆阻器件上只能分到很小的压降，由忆阻器件阻值的非线性变化原理，忆阻器件阻值将维持在低阻态几乎不发生改变，此时输出信号幅度为：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{R_{\mathrm{LOAD}}}{R_{\mathrm{LOAD}}+R_{\mathrm{LRS}}+R_S}{V}_{\mathrm{SOURCE}},$ 其中R_LRS为忆阻器件的低态电阻阻值；然而对于高频输入信号，在输入信号的一个周期内，忆阻器件没有足够的时间从高阻态变到低阻态，由忆阻器件阻值的非线性变化原理，此时忆阻器件阻值保持在高阻态几乎不发生变化。此时几乎所有的输入信号都衰减在忆阻器件上，输出信号几乎为零,从而实现了低通滤波。

参见图2，本发明中的高通滤波器包括第一忆阻器件M1及负载电阻R_LOAD，所述第一忆阻器件M1的顶电极（TE）连接输入端V_IN，其底电极（BE）接地；所述负载电阻R_LOAD与所述第一忆阻器件M1并联；所述输出端V_OUT通过所述负载电阻R_LOAD接地;在应用时，将该高通滤波器的输入端V_IN连接信号源V_SOURCE的输出端口，信号源V_SOURCE通过内阻R_S提供交流输入信号。

其工作原理是：首先，对于低频输入信号，在输入信号的正半周期，由于初始时第一忆阻器件为高阻态，可以分到较大的压降，由于输入信号频率较低，忆阻器件有足够的时间从高阻态变为低阻态，当忆阻器件变为低阻态时，忆阻器件只能分到很小的电压，绝大部分电压都衰减在了R_S上，只能输出很小的电压，在信号的负半周期，由于忆阻器件在信号的正半周期已经变为低阻态，只能分到很小的压降，不足以使忆阻器件阻态发生变化，此时忆阻器件将维持在低阻态几乎不发生变化，绝大部分电压都衰减在了R_S上，只能输出很小的电压；然而对于高频输入信号，忆阻器件没有足够的时间从高阻态变为低阻态，由忆阻器件阻值的非线性变化原理，忆阻器件的阻态维持在高阻态几乎不发生变化，则忆阻器件及输出负载上能分到较大的压降，此时输出信号幅度为：

其中，RHRS为忆阻器件的高态电阻阻值；从而实现了对信号的高通滤波。

参见图3，本发明中的带通滤波器包括第一忆阻器件M1、第二忆阻器件M2、负载电阻R_LOAD、第一电阻R1、第二电阻R2；所述第一忆阻器件M1的顶电极(TE)连接输入端V_IN，其底电极(BE)通过第一电阻R1接地；所述第一忆阻器件M1的底电极(BE)通过所述第二电阻R2连接至第二忆阻器件M2的顶电极（TE）并连接输出端V_OUT；所述第二忆阻器件M2的底电极(BE)接地；所述负载电阻R_LOAD与所述第二忆阻器件M2并联；所述输出端V_OUT通过所述负载电阻R_LOAD接地;

可见，该带通滤波器有两级输出，即由第一忆阻器件M1和第一电阻R1构成的低通滤波单元的输出，该第一级输出通过第二电阻R2串接第二级输出，该第二级输出为由第二忆阻器件M2和负载电阻R_LOAD构成的高通滤波单元的输出；在应用时，将该带通滤波器的输入端V_IN连接信号源V_SOURCE的输出端口，信号源V_SOURCE通过内阻R_S提供交流输入信号。

其工作原理是：电路工作时通过第一级低通滤波限制高频截止频率，通过第二级高通滤波限制低频截止频率，从而实现对输入信号的带通滤波：当输入信号频率处于低频带时，第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2都从初始的高阻态变为低阻态，由前面所述低通滤波和高通滤波原理，信号在第二级高通滤波被衰减；当输入信号处于中频带时，由于第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2具有不同的频率响应，第一忆阻器件M1从高阻态变为低阻态，信号通过了第一级低通滤波，然而第二忆阻器件M2不能从高阻态变为低阻态，由前面所述高通滤波原理，信号通过了第二级高通滤波并输出到V_OUT；当信号处于高频带时，第一忆阻器件M1不能从高阻态变为低阻态，信号在第一级低通滤波被衰减；从而实现了对信号的带通滤波。

参见图4，本发明中的带阻滤波器包括低通滤波支路、高通滤波支路、第一输出电阻R_OUT1及第二输出电阻R_OUT2；所述高通滤波支路与低通滤波支路并联；所述低通滤波支路包括第一忆阻器件M1及负载电阻R_LOAD，所述第一忆阻器件M1的顶电极（TE）连接输入端V_IN，底电极(BE)通过负载电阻R_LOAD接地，通过第一输出电阻R_OUT1接到输出端V_OUT；所述高通滤波支路包括第二忆阻器件M2，所述第二忆阻器件M2的顶电极(TE)连接输入端V_IN，并通过第二输出电阻R_OUT2接到输出端V_OUT，其底电极（BE）接地；在应用时，将该带阻滤波器的输入端V_IN连接信号源V_SOURCE的输出端口，信号源V_SOURCE的内阻可等效为R_S1和R_S2。

其工作原理是：电路工作时，由低通滤波支路限制低频截止频率，由高通滤波支路限制高频截止频率，从而实现对信号的带阻滤波：当输入信号频率处于低频带时，第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2都从初始的高阻态变为低阻态，信号由低通滤波支路输出；当输入信号处于中频带时，由于第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2具有不同的频率响应，第一忆阻器件M1不能从高阻态变为低阻态，然而第二忆阻器件M2可以从高阻态变为低阻态，由前面所述低通滤波和高通滤波原理，信号在两条支路都被衰减；当输入信号频率处于高频带时，第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2均不能从高阻态变为低阻态，信号由高通滤波支路输出；从而实现了对信号的带阻滤波。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述：

实施例一：本例为如图1所示的低通滤波器的实例，本例中交流信号源V_SOURCE提供均值为1V（峰值为1.414V）的正弦波信号，第一忆阻器件M1的高态电阻R_HRS为100kOhm，低态电阻R_LRS为100Ohm，信号源的内阻R_S为100Ohm，负载电阻R_LOAD为200Ohm；首先，在输入信号的正半周期，由于初始时忆阻器件M1为高阻态R_HRS，其阻值远大于R_S与R_LOAD，几乎所有的信号全都加在M1上，当输入信号频率低于截止频率时，忆阻器件M1有足够的时间从高阻态变为低阻态，此时忆阻器件M1在电路中相当于一个阻值为低态电阻R_LRS的线性电阻元件，当信号的负半周期到来时，由于忆阻器件M1上只能分到很小的压降，不足以让忆阻器件M1阻态发生变化，忆阻器件M1将维持在低阻态几乎不发生变化，此时输出信号幅度为：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{R_{\mathrm{LOAD}}}{R_{\mathrm{LOAD}}+R_{\mathrm{LRS}}+R_S}{V}_{\mathrm{SOURCE}}=0.5V_{\mathrm{SOURCE}}$

然而当输入信号的频率高于截止频率时，忆阻器件M1没有足够的时间从高阻态变到低阻态，由忆阻器件M1阻值的非线性变化原理，在输入信号的整个周期内忆阻器件M1阻值将保持在高阻态几乎不发生变化;由于忆阻器件高态电阻值R_HRS远大于R_S和R_LOAD，几乎所有的信号都衰减在忆阻器件M1上，输出信号几乎为零。本实例的低通滤波器的频率响应的仿真结果如图5所示，从图中可以看出，本实例的低通滤波器的截止频率为23kHZ，阻带衰减为-48dB。

实施例二：本例为如图2所示的高通滤波器的实例，本例中交流信号源V_SOURCE提供均值为1V（峰值为1.414V）的正弦波信号，忆阻器件M1的高态电阻R_HRS为100kOhm，低态电阻R_LRS为100Ohm，信号源的内阻R_S为3kOhm，负载电阻R_LOAD为100kOhm；首先，当输入信号的频率低于截止频率时，在输入信号的正半周期，由于初始时忆阻器件M1为高阻态，可以分到较大的压降，由于输入信号频率较低，忆阻器件M1有足够的时间从高阻态变为低阻态，当忆阻器件M1变为低阻态时，忆阻器件M1上只能分到很小的压降，其余部分电压都衰减在了R_S上，在信号的负半周期，由于忆阻器件M1在信号的正半周期已经变为低阻态，忆阻器件M1两端分到的电压不足以使忆阻器件M1阻态发生变化，此时忆阻器件M1将维持在低阻态几乎不发生变化，绝大部分电压都衰减在了R_S上，此时输出信号幅度为：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{R_{\mathrm{LRS}}//R_{\mathrm{LOAD}}}{(R_{\mathrm{LRS}}//R_{\mathrm{LOAD}})+R_S}{V}_{\mathrm{SOURCE}}\≈0.032V_{\mathrm{SOURCE}}$

然而当输入信号的频率高于截止频率时，忆阻器件M1没有足够的时间从高阻态变为低阻态，由忆阻器件M1阻值的非线性变化原理，忆阻器件M1的阻态维持在高阻态几乎不发生变化，则忆阻器件M1及负载电阻R_LOAD上能分到较大的压降，此时输出信号幅度为：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{R_{\mathrm{HRS}}//R_{\mathrm{LOAD}}}{(R_{\mathrm{HRS}}//R_{\mathrm{LOAD}})+R_S}{V}_{\mathrm{SOURCE}}\≈0.94V_{\mathrm{SOURCE}}$

本实例的高通滤波器的仿真结果如图6所示，从图中可以看出，截止频率为12kHZ，阻带衰减为-29dB。

实施例三：本例为如图3所示的带通滤波器的实例，本例中交流信号源V_SOURCE提供均值为1V（峰值为1.414V）的正弦波信号，第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2的高态电阻R_HRS为100kOhm，低态电阻R_LRS为100Ohm，信号源的内阻R_S为100Ohm，第一电阻R1为3kOhm，第二电阻R2为3kOhm，负载电阻R_LOAD为100kOhm；当输入信号频率处于低频阻带时，第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2均由高阻态变为低阻态，信号通过第一级低通滤波，但在第二级高通滤波被衰减，此时输出信号幅度为：

$V_{\mathrm{OUT}}\≈\frac{R1//R2}{(R1//R2)+R_{\mathrm{LRS}}+R_S}\×\frac{R_{\mathrm{LRS}}}{R_{\mathrm{LRS}}+R2}{V}_{\mathrm{SOURCE}}\≈0.03V_{\mathrm{SOURCE}}$

当输入信号频率处于中频通带时，第一忆阻器件M1由高阻态变为低阻态，第二忆阻器件M2阻态维持在高阻态不发生变化，此时输出信号幅度为：

$V_{\mathrm{OUT}}\≈\frac{R1}{R1+R_{\mathrm{LRS}}+R_S}\×\frac{{R_{\mathrm{HRS}}//R}_{\mathrm{LOAD}}}{(R_{\mathrm{HRS}}//R_{\mathrm{LOAD}})+R2}{V}_{\mathrm{SOURCE}}\≈0.9V_{\mathrm{SOURCE}}$

当输入信号频率处于高频阻带时，第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2的阻态均维持在高阻态不发生变化，此时输出信号幅度为：

$V_{\mathrm{OUT}}\≈\frac{R1}{R1+R_{\mathrm{HRS}}+R_S}\×\frac{{R_{\mathrm{HRS}}//R}_{\mathrm{LOAD}}}{(R_{\mathrm{HRS}}//R_{\mathrm{LOAD}})+R2}{V}_{\mathrm{SOURCE}}\≈0.028V_{\mathrm{SOURCE}}$

本实例的带通滤波的频率响应的仿真结果如图8所示，从图中可以看出，低频截止频率f_L为5kHZ，低频阻带衰减为-29.5dB，高频截止频率f_H为27kHZ，高频阻带衰减为-30dB。

实施例四：本例为如图4所示的带阻滤波器的实例，本例中交流信号源V_SOURCE提供均值为1V（峰值为1.414V）的正弦波信号，第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2高态电阻R_HRS为1MOhm，低态电阻R_LRS为100Ohm，等效电阻R_S1为100Ohm，等效电阻R_S2为10kOhm，负载电阻R_LOAD为10kOhm，第一输出电阻R_OUT1和第二输出电阻R_OUT2均为100kOhm；当输入信号频率处于低频通带时，第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2均由高阻态变为低阻态，此时输出信号的幅度为：

$V_{\mathrm{OUT}}\≈\frac{R_{\mathrm{LOAD}}}{R_{\mathrm{LOAD}}+R_{\mathrm{LRS}}+R_{S1}}\×\frac{R_{\mathrm{OUT}2}}{R_{\mathrm{OUT}1}+R_{\mathrm{OUT}2}}{V}_{\mathrm{SOURCE}}\≈0.49V_{\mathrm{SOURCE}}$

当输入信号频率处于中频阻带时，第一忆阻器件M1阻态不变，第二忆阻器件M2由高阻态变为低阻态，此时输出信号的幅度为：

$V_{\mathrm{OUT}}\≈\frac{R_{\mathrm{LRS}}}{R_{\mathrm{LRS}}+R_{S2}}\×\frac{R_{\mathrm{OUT}1}}{R_{\mathrm{OUT}1}+R_{\mathrm{OUT}2}}{V}_{\mathrm{SOURCE}}\≈0.005V_{\mathrm{SOURCE}}$

当输入信号频率处于高频通带时，第一忆阻器件M1和第二忆阻器件M2阻态均维持在高阻态不发生变化，此时输出信号的幅度为：

$V_{\mathrm{OUT}}\≈\frac{R_{\mathrm{HRS}}}{R_{\mathrm{HRS}}+R_{S2}}\×\frac{R_{\mathrm{OUT}1}}{R_{\mathrm{OUT}1}+R_{\mathrm{OUT}2}}{V}_{\mathrm{SOURCE}}\≈0.5V_{\mathrm{SOURCE}}$

本实例的带阻滤波器的频率响应的仿真结果如图8所示，从图中可以看出，低频截止频率f_L为1kHZ，高频截止频率f_H为20kHZ，阻带衰减为-35dB。

需要说明的是，本发明要求保护的方案包含但不仅限于上述实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明精神实质情况下根据上述实施例的描述所做出的等同修改/替换，皆在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于忆阻器件的低通滤波器，具有输入端(V_IN)和输出端(V_OUT)，其特征在于，包括第一忆阻器件（M1）及负载电阻(R_LOAD)，所述第一忆阻器件(M1)的顶电极连接输入端(V_IN)，其底电极接输出端(V_OUT)并通过所述负载电阻(R_LOAD)接地。

2.一种基于忆阻器件的高通滤波器，具有输入端(V_IN)和输出端(V_OUT)，其特征在于，包括第一忆阻器件(M1)及负载电阻(R_LOAD)，所述第一忆阻器件(M1)的顶电极连接输入端(V_IN)，其底电极接地；所述负载电阻(R_LOAD)与所述第一忆阻器件(M1)并联；所述输出端(V_OUT)通过所述负载电阻(R_LOAD)接地。

3.一种基于忆阻器件的带通滤波器，具有输入端(V_IN)和输出端(V_OUT)，其特征在于，包括第一忆阻器件(M1)、第二忆阻器件(M2)、负载电阻(R_LOAD)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)；所述第一忆阻器件(M1)的顶电极连接输入端(V_IN)，其底电极通过第一电阻(R1)接地；所述第一忆阻器件(M1)的底电极通过所述第二电阻(R2)连接至第二忆阻器件(M2)的顶电极并连接输出端(V_OUT)；所述第二忆阻器件(M2)的底电极接地；所述负载电阻(R_LOAD)与所述第二忆阻器件(M2)并联；所述输出端(V_OUT)通过所述负载电阻(R_LOAD)接地。

4.一种基于忆阻器件的带阻滤波器，具有输入端(V_IN)和输出端(V_OUT)，其特征在于，包括低通滤波支路、高通滤波支路、第一输出电阻(R_OUT1)及第二输出电阻(R_OUT2)；所述高通滤波支路与低通滤波支路并联；所述低通滤波支路包括第一忆阻器件(M1)及负载电阻(R_LOAD)，所述第一忆阻器件(M1)的顶电极连接输入端(V_IN)，底电极通过负载电阻(R_LOAD)接地，并通过第一输出电阻(R_OUT1)接到输出端(V_OUT)；所述高通滤波支路包括第二忆阻器件(M2)，所述第二忆阻器件(M2)的顶电极连接输入端(V_IN)，并通过第二输出电阻(R_OUT2)接到输出端(V_OUT)，其底电极接地。

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