CN103297025A - 一种忆阻器仿真器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种忆阻器仿真器，包括T型电阻网络、差分放大器、高通滤波器、积分器和模拟乘法器，T型电阻网络具有二端口(A、B)，差分放大器将T型电阻网络二端口的电压取出进行放大，其输出电压信号分为两路，一路直接送入所述的模拟乘法器，另一路先通过所述的高通滤波器滤除直流电压后送入所述的积分器，积分后的电压信号再送入所述的模拟乘法器，模拟乘法器的输出直接接入所述T型电阻网路的第三个端子。本发明利用模拟电路实现了忆阻器的一种仿真器电路，把原本流控型的记忆电阻设计为压控型的记忆电导，使得忆阻器仿真器的模拟电路实现更为灵活、方便。

Description

一种忆阻器仿真器

技术领域

本发明属于新型电路设计技术领域，涉及一种忆阻器仿真器的实现方法，该仿真器是能够仿真忆阻器特性的等效电路，具体是一种符合TiO2忆阻器特性的仿真器。

背景技术

忆阻器是一种具有记忆性的非线性电阻，也称为记忆电阻，它是继电阻、电容和电感之后的第四种电路元件。忆阻器最早在1971年由Chua提出，但直到2008年才由美国惠普实验室发现了一种实际忆阻器的存在，即TiO2忆阻器。忆阻器具有记忆性、突触特性和纳米尺度，在非易失性存储器、神经网络等领域有极大的应用潜力。但由于纳米技术的实现过程困难和成本很高，到目前为止，忆阻器还未作为一个实际的电路元件而走向市场。因此，设计一种忆阻器仿真器并用其替代实际忆阻器进行实验和/或应用研究具有非常重要的现实意义。且，即使忆阻器商用化以后，其也是以大规模集成电路的形式存在，难有单独分离的纳米级忆阻器可以利用。因此，利用忆阻器仿真器代替实际的TiO2忆阻器进行应用电路设计将具有长远的意义与价值。

目前，虽已报导了少量的忆阻器仿真器模型，但以PSPICE仿真模型居多，而少数的几个由硬件等效电路构成的仿真器，有的原理较为复杂，导致实际应用中难以实现，有的则误差较大，难以精确模拟实际忆阻器的特性。

因此，设计与实现一种原理简单、误差小的新的忆阻器硬件仿真器具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种新的忆阻器仿真器，利用一个新的硬件模拟电路实现了TiO2忆阻器的端口伏安特性。该忆阻器仿真器具有原理简单、模拟实际忆阻器特性的误差小等优点。

本发明采用如下技术方案实现其发明目的：一种忆阻器仿真器，包括T型电阻网络、差分放大器、高通滤波器、积分器和模拟乘法器，T型电阻网络具有二端口(A、B)，差分放大器将T型电阻网络二端口的电压取出进行放大，其输出电压信号分为两路，一路直接送入所述的模拟乘法器，另一路先通过所述的高通滤波器滤除直流电压后送入所述的积分器，积分后的电压信号再送入所述的模拟乘法器，模拟乘法器的输出直接接入所述T型电阻网路的第三个端子。

优选的，T型电阻网络包括线性电阻R1、R2、R3，三个电阻采用T型连接，其中，电阻R1、R2的两个端子分别构建所述的二端口(A、B)，电阻R2的另一端再通过串联电阻R4接地；电阻R3的一个端子作为反馈信号的接入点即所述的第三个端子。

进一步优选的，差分放大器采用LF347，差分放大器LF347的第4引脚VCC接+12V电源，第11引脚VEE接-12V电源；第3引脚IN1+接T型电阻网络的的一个端口(A)，第5引脚IN2+接T型电阻网络的另一个端口(B)；第2引脚和第6引脚之间连接一个可变电阻器R6；第1引脚和第2引脚间、第6引脚和第7引脚间分别串电阻R5、电阻R7；第1引脚和第13引脚间、第7引脚和第12引脚间分别串电阻R8、电阻R9；第12引脚串一个电阻R13到地；第13引脚和第14引脚间串一电阻R10；从第14引脚引出的信号即为所述二端口的差模电压信号。

再进一步优选的，模拟乘法器采用AD633JN；差分放大器LF347第14引脚引出的信号分为两路，一路接入模拟乘法器AD633JN的第1引脚X1+，另一路接入由电阻R12、电容C1构成的高通滤波器中；电阻R12、电容C1构建高通滤波器的输出串一电阻R11后接入差分放大器LF347的第9引脚，差分放大器LF347的第8引脚和第9引脚间串一电容C2，从第8引脚引出的信号即是对所述二端口输入信号的积分。

更进一步优选的，差分放大器LF347的第8引脚输出的积分信号接入模拟乘法器AD633JN的第3引脚Y1+；模拟乘法器AD633的第2引脚X2-、第4引脚Y2-和第6引脚接地；第5引脚接-12V电源；第8引脚接+12V电源；第7引脚接入所述T型电阻网络中电阻R3的反馈信号接入点。

本发明具有如下技术效果：

本发明提供了一种忆阻器仿真器的实现方法，利用模拟电路实现了忆阻器的一种仿真器电路，把原本流控型的记忆电阻设计为压控型的记忆电导，使得忆阻器仿真器的模拟电路实现更为灵活、方便；该忆阻器仿真器电路采用了T型电阻网络和高品质的仪表差分放大器，使得忆阻器仿真器两输入端的联络相等，更加符合实际忆阻器的特性。该模拟电路结构简单，调试方便，稳定性好，能够很好地模拟忆阻器端口特性，在目前及将来无法获得纳米级单个孤立忆阻器器件的情况下，可代替实际TiO2忆阻器实现与忆阻器相关的电路设计与实验，也可用于其他需要忆阻器的应用领域。

附图说明

图1是本发明忆阻器的物理模型图。

图2a是本发明忆阻器仿真器的电路结构图。

图2b是本发明忆阻器仿真器电路结构功能框图。

图3是T型电阻网络的电路原理图。

图4是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作进一步详细的说明。

HP实验室TiO2忆阻器的基本特性方程为： $\left\{\begin{array}{c}u\left(t\right)=M\left(t\right)i\left(t\right)=[R_{\mathrm{on}}\frac{w\left(t\right)}{D}+R_{\mathrm{off}}(1-\frac{w\left(t\right)}{D})]i\left(t\right)\\ \frac{\mathrm{dw}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\μ}}_v\frac{R_{\mathrm{on}}}{D}i\left(t\right)\end{array}\right.---\left(a\right)$

根据a推导出以记忆电阻M(t)表示的伏安关系b：

$u\left(t\right)=M\left(t\right)i\left(t\right)=[R_{\mathrm{off}}-A{\∫}_{-\∞}^{t}i\left(t\right)\mathrm{dt}]i\left(t\right)---\left(b\right)$

其中， $A=(R_{\mathrm{off}}-R_{\mathrm{on}}){\mathrm{\μ}}_v\frac{R_{\mathrm{on}}}{D^2}$

根据b构建并联型（压控型）忆阻器记忆电导W(t)的一种伏安关系c：

$i\left(t\right)=W\left(t\right)u\left(t\right)=\[G_{\mathrm{off}}-B{\∫}_{-\∞}^{t}u\left(t\right)\mathrm{dt}\]u\left(t\right)---\left(c\right)$

忆阻器仿真器的实现，便是设计一种模拟电路实现c所描述的运算。

如图2a、2b所示，忆阻器仿真器由T型电阻网络、高品质差分放大器（仪表放大器）即差分运放、积分器、高通滤波器和模拟乘法器组成，T型电阻网络具有二端口A、B，二端口A、B分别接入差分运放器，差分运放器将T型电阻网络的端口电压取出进行放大，其输出电压信号分为两路，一路直接送入模拟乘法器，另一路先通过一个RC高通滤波器滤除直流电压后送入积分器，积分后的电压信号再送入模拟乘法器，模拟乘法器的输出直接接入T型电阻网路端口（A、B）以外的第三个端子。

如图3所示，T型电阻网络包括线性电阻R1、R2、R3，三个电阻采用T型连接，其中，电阻R1、R2的两个端子分别构建忆阻器仿真器的端口A、B；电阻R3的一个端子作为反馈信号的接入点，电阻R2的另一端再通过串联电阻R4接地，T型网络端口A、B的伏安特性关系如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_A=-u_B=\frac{1}{2}{u}_{\mathrm{AB}}\\ i=\frac{u_A-u_O}{R_1}=\frac{u_O-u_B}{R_2}+\frac{u_O-u_C}{R_3}\end{array}\right.---\left(f\right)$

根据f推导出：

i=K₀u_AB-K₁u_C   (g)

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_0=\frac{1}{2}(\frac{1}{R_1}+\frac{R_1{R}_3-R_2{R}_3}{{R_1}^2{R}_2+{R_1}^2{R}_3+R_1{R}_2{R}_3})\\ K_1=\frac{R_1{R}_2}{{R_1}^2{R}_2+{R_1}^2{R}_3+R_1{R}_2{R}_3}\end{array}\right.$

如图4所示，集成差分运算放大器采用LF347，实现所需的差分放大、积分和乘法运算；集成运算放大器LF347第1、2、3引脚对应的运算放大器、第5、6、7引脚对应的运算放大器、第12、13、14引脚对应的运算放大器和外围电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R13组成差分放大器；集成运算放大器LF347第8、9、10引脚对应的运算放大器和外围元件R11、C2构成积分器；该集成运放中集成了4个运放，其第4个引脚VCC接+12V电源，第11个引脚VEE接-12V电源；第3引脚IN1+接T型电阻网络的的一个端子点A，第5引脚IN2+接T型电阻网络的另一个端子点B；第2引脚和第6引脚之间连接一个可变电阻器R6，用于调节反馈信号的放大倍数；第1引脚和第2引脚间、第6引脚和第7引脚间分别串一个电阻R5、R7；第1引脚和第13引脚间、第7引脚和第12引脚间分别串一个电阻R8、R9；第12引脚串一个电阻R13到地；第13引脚和第14引脚间串一电阻R10；此时，从第14引脚引出的信号即为端口的差模电压信号u_o14。对于仪表差分放大器设置R5=R7；R8=R9；R10=R13，LF347第14脚电压：

$u_{o14}=-\frac{R_{10}}{R_8}(1+\frac{2R_5}{R_6})u_{\mathrm{AB}}=K_2{u}_{\mathrm{AB}}---\left(h\right)$

将集成运放LF347的第14引脚引出的信号分为两路，一路接入模拟乘法器AD633JN的第1个引脚X1+；另一路接入由电阻R12、电容C1构成的高通滤波器中；电阻R12、电容C1构建高通滤波器的输出串一个电阻R11接LF347的第9引脚，第8引脚和第9引脚间串一个电容C2。此时，从第8引脚引出的信号u_o8，即对端口输入信号的积分：

$u_{o8}=-\frac{1}{R_{11}{C}_2}\∫u_{o14}\mathrm{dt}=K_3{\∫u}_{\mathrm{AB}}\mathrm{dt}---\left(i\right)$

将LF347第8引脚输出的积分信号接入模拟乘法器AD633JN的第3引脚Y1+，AD633JN的第2引脚X2-、第4引脚Y2-和第6引脚接地；第5引脚接-12V电源；第8引脚接+12V电源；第7引脚的输出u_c接入T型电阻网络中的电阻R3端子点，乘法器输出电压：

u_C=u_o14u_o8=K₂K₃u_AB∫u_ABdt=K₄u_AB∫u_ABdt   (j)

把j代入g得：

i=K₀u_AB-K₁u_C=(K₀-K₁K₄∫u_ABdt)u_AB   (k)

由图4所示的忆阻器仿真器电路获得的伏安关系k，完全实现了忆阻器的理论伏安特性c。

本发明所涉集成运放LF347、模拟乘法器AD633JN为现有技术。

本发明根据HP实验室TiO2忆阻器的串联型记忆电阻伏安特性，获得了以忆阻器的并联型记忆电导表示的伏安特性，把原本流控型的记忆电阻设计为压控型的记忆电导，利用集成运算电路实现忆阻器特性中的相应运算。

以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种忆阻器仿真器，其特征在于，包括T型电阻网络、差分放大器、高通滤波器、积分器和模拟乘法器，T型电阻网络具有二端口(A、B)，差分放大器将T型电阻网络二端口的电压取出进行放大，其输出电压信号分为两路，一路直接送入所述的模拟乘法器，另一路先通过所述的高通滤波器滤除直流电压后送入所述的积分器，积分后的电压信号再送入所述的模拟乘法器，模拟乘法器的输出直接接入所述T型电阻网路的第三个端子。

2.如权利要求1所述的忆阻器仿真器，其特征在于：所述的T型电阻网络包括线性电阻R1、R2、R3，三个电阻采用T型连接，其中，电阻R1、R2的两个端子分别构建所述的二端口(A、B)，电阻R2的另一端再通过串联电阻R4接地；电阻R3的一个端子作为反馈信号的接入点即所述的第三个端子。

3.如权利要求2所述的忆阻器仿真器，其特征在于：所述差分放大器采用LF347，差分放大器LF347的第4引脚VCC接+12V电源，第11引脚VEE接-12V电源；第3引脚IN1+接T型电阻网络的的一个端口(A)，第5引脚IN2+接T型电阻网络的另一个端口(B)；第2引脚和第6引脚之间连接一个可变电阻器R6；第1引脚和第2引脚间、第6引脚和第7引脚间分别串电阻R5、电阻R7；第1引脚和第13引脚间、第7引脚和第12引脚间分别串电阻R8、电阻R9；第12引脚串一个电阻R13到地；第13引脚和第14引脚间串一电阻R10；从第14引脚引出的信号即为所述二端口的差模电压信号。

4.如权利要求3所述的忆阻器仿真器，其特征在于：所述的模拟乘法器采用AD633JN；差分放大器LF347第14引脚引出的信号分为两路，一路接入模拟乘法器AD633JN的第1引脚X1+，另一路接入由电阻R12、电容C1构成的高通滤波器中；电阻R12、电容C1构建高通滤波器的输出串一电阻R11后接入差分放大器LF347的第9引脚，差分放大器LF347的第8引脚和第9引脚间串一电容C2，从第8引脚引出的信号即是对所述二端口输入信号的积分。

5.如权利要求4所述的忆阻器仿真器，其特征在于：所述差分放大器LF347的第8引脚输出的积分信号接入模拟乘法器AD633JN的第3引脚Y1+；模拟乘法器AD633的第2引脚X2-、第4引脚Y2-和第6引脚接地；第5引脚接-12V电源；第8引脚接+12V电源；第7引脚接入所述T型电阻网络中电阻R3的反馈信号接入点。

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