CN103731128A

CN103731128A - 一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器

Info

Publication number: CN103731128A
Application number: CN201310711032.8A
Authority: CN
Inventors: 包伯成; 胡丰伟; 于晶晶; 姜盼; 王春丽
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明公开了一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器，包括二极管整流桥电路和一阶滤波电路。二极管整流桥电路包括二极管D1、D2、D3和D4；二极管D1的负极端与二极管D2的负极端相连，记作b端；二极管D2的正极端与二极管D3的负极端相连，记作c端；二极管D3的正极端与二极管D4的正极端相连，记作d端；二极管D4的负极端与二极管D1的正极端相连，记作a端；a端、c端为输入端，分别与信号源的正、负极端相连；一阶滤波电路的输入端与二极管整流桥电路b端相连，输出端与二极管整流桥电路d端相连；二极管整流桥电路的d端接地。本发明结构简单，并具有可双端输入特性，对于忆阻器应用上的突破性进展有巨大的帮助作用。

Description

一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器

技术领域

本发明涉及一种由一阶二极管桥电路实现的新型忆阻模拟器，即由二极管整流桥电路与一阶并联RC滤波电路构成的新型忆阻器实现电路。

背景技术

1971年美国加州大学伯克利分校的华裔科学家蔡少棠(Chua L O) 根据电路基本变量组合完备性原理，预测了直接关联电荷和磁通两个变量的基本电路元件——忆阻器的存在性。忆阻器是一种具有记忆功能的非线性电阻，可以记忆流经它的电荷数量，通过控制电流的变化可改变其阻值，理论上描述了除电阻器、电容器和电感器之外的第四种基本电路元件。直到2008年，惠普实验室Strukov等才成功制作出了基于金属和金属氧化物的忆阻元件——忆阻器，它使得基础元件在现实中增加到了四个，为电路设计及应用提供了全新的研究空间。为了对新时代的电路系统作进一步的完善，人们在忆阻器的物理实现、忆阻器建模与基本电路的特性研究、忆阻混沌电路动力学分析与等效电路实现、忆阻器应用电路设计及其相应的系统特性等开展了卓有成效的研究工作。

2009年，美国南卡罗莱纳大学的Pershin和加州大学的Ventra等进一步提出了忆容和忆感两个新的元件，并且对其特性进行了大胆的猜想与论证。Ventra团队和捷克斯洛伐克布鲁诺技术大学的Biolek团队报道了三个记忆元件的SPICE建模研究成果，并阐述了忆阻、忆容和忆感之间的关系。日本福冈技术学院Itoh和蔡少堂最早用忆阻器替换蔡氏振荡电路中的蔡氏二极管，得到了基于忆阻器的混沌振荡电路。

2012年，根据忆阻器与突触的这种相似性，比勒菲尔德大学托马斯博士及其同事制作出了一种具有学习能力的忆阻器。

2013年，比勒菲尔德大学物理学系的高级讲师安迪·托马斯博士研制的忆阻器，被内置于比人头发600倍的芯片中，利用这种忆阻器作为人工大脑的关键部件，他的研究成果将发表在《物理学学报D辑：应用物理学》杂志上。

忆阻器，是目前世界发达国家、行业巨头不惜血本研发的基本电路元件，它是预言中第四次工业革命的基石。同样，中国的科学家也一直在研究忆阻器；2009年，国家科技部启动国际合作项目“忆阻器材料及其原型器件”，投入了大量经费用于忆阻器的研究工作。经过4年努力已取得了较多的研究成果，同时发现了忆阻器的存储功能还具有类似人类大脑的特性，就像人通过强刺激对特定时间记忆深刻一样，忆阻器的记忆也会因电流强度不同，出现明显差异，这为忆阻器的智能化应用，与国际接轨，打开了一个全新的市场。然而，目前对于忆阻器的研究工作大多停留在理论研究、数值仿真上，较少有能够实现忆阻器特性的忆阻模拟器实现电路，同时已构成的忆阻模拟器实现电路具有结构复杂、移植性差、单端输入局限性的缺点。

发明内容

针对现有技术中忆阻模拟器存在的上述问题，本发明提供一种由二极管整流桥电路与一阶滤波电路构成的一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器。

本发明的技术方案如下：

一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器，包括二极管整流桥电路和一阶滤波电路；

所述二极管整流桥电路包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4；二极管D1的负极端与二极管D2的负极端相连，记作b端；二极管D2的正极端与二极管D3的负极端相连，记作c端；二极管D3的正极端与二极管D4的正极端相连，记作d端；二极管D4的负极端与二极管D1的正极端相连，记作a端；a端、c端作为输入端，分别与信号源的正、负极端相连；

所述一阶滤波电路的输入端与二极管整流桥电路b端相连，输出端与二极管整流桥电路d端相连；二极管整流桥电路的d端接地。

作为本发明的进一步改进，所述一阶滤波电路为一阶并联RC滤波电路，包括：电阻器R和电容器C；电阻器R与电容器C并联连接，将并联连接的两个端口分别记作e、f端；所述一阶并联RC滤波电路的e端与二极管整流桥电路b端相连；一阶并联RC滤波电路的f端与二极管整流桥电路d端相连。

作为本发明的进一步改进，所述一阶滤波电路为一阶串联RL滤波电路或一阶并联RL滤波电路或仅由一个电感器组成的电路。

本发明的有益效果是：

本发明实现了由二极管整流桥电路与一阶滤波电路构成的新型忆阻模拟器；此模拟器具有结构简单（只由三种基本电路元器件构成：二极管、电阻、电容），并具有可双端输入特性，对于忆阻器应用上的突破性进展将会有巨大的帮助作用。

附图说明

图1为本发明一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器电路图；

图2为激励幅值V_m = 4V时激励频率f选取200 Hz、2 kHz和10 kHz对应的i – v数值仿真所得相轨图；

图3为激励频率f = 200 Hz时激励幅值V_m 选取3 V、4 V和5 V对应的i – v数值仿真所得相轨图；

图4为本发明一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器实物图；

图5为激励幅值V_m = 4V时激励频率f选取200 Hz、2 kHz和10 kHz对应的i – v实验所得相轨图；

图6为激励频率f = 200 Hz时激励幅值V_m 选取3 V、 4 V和5 V对应的i – v实验所得相轨图；

图7为图1的简化忆阻符号图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

本发明一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器，包括一个二极管整流桥电路、一阶滤波电路。

二极管整流桥电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3二极管D4；二极管D1负极端与二极管D2负极端相连（记作b端）；二极管D2正极端与二极管D3负极端相连（记作c端）；二极管D3正极端与二极管D4正极端相连（记作d端）；二极管D4负极端与二极管D1正极端相连（记作a端）； a端、c端作为输入端，分别与信号源的正、负极端相连；

一阶滤波电路优选为一个一阶并联RC滤波电路，包括：电阻器R、电容器C；电阻器R与电容器C并联连接（将并联连接的两个端口分别记作e、f端）；

一阶并联RC滤波电路e端与二极管整流桥电路b端相连；一阶并联RC滤波电路f端与二极管整流桥电路d端相连；二极管整流桥电路d端接地。

上述一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器的电路结构图如图1所示，其简化忆阻符号如图7所示。电路中四个二极管D1-D4的本构关系可描述为

(1)

其中k = 1, 2, 3, 4, ρ = 1/(2nV_T ), v_k 和 i_k 分别表示通过二极管桥 D_k 的电压和电流，I_S , n和V_T 分别表示二极管反向饱和电流、发射系数和截止电压。

分析二极管整流桥电路可得v ₁ = v ₃ , v ₂ = v ₄, 其中 v ₂ = v ₁–v；采用基尔霍夫电压定律电路分析由 D ₁, C 和D ₄构成的回路可得到如下关系式

（2）

此外，采用基尔霍夫电流定律分别将D1的阴、阳极作为两个节点进行分析，可得到两个关系式如下

Figure 2013107110328100002DEST_PATH_IMAGE003

(3)

(4)

结合式(2)和电容C的本征关系式，再根据式(1)、 (3)、 (4)可以推导出输入电流的状态方程

Figure 2013107110328100002DEST_PATH_IMAGE005

(5)

(6)

其中，v_C 是动态元件C的状态变量，v 输入电压，g为广义响应，用来表示受v_C , v控制的忆导值，通过推导可得

Figure 2013107110328100002DEST_PATH_IMAGE007

(7)

由关系式(5)、(6)可以得出，图1所示二极管整流桥和一阶并联RC滤波器构成的电路可由一阶广义忆阻器的数学表达式进行描述，说明此电路确实为一阶广义忆阻电路，且它的忆导值为

，受控于输入电压和电容电压。

基于图1所示电路图，选取型号为1N4148的二极管构建整流桥电路，采用参数为R = 1 kΩ、C = 1 μF 构建一阶并联RC滤波电路；选择输入激励v = V_m sin(2π ft) V对图1所示电路进行数值仿真，当设定激励幅值V_m = 4V，分别选取输入信号激励频率f为200 Hz、2 kHz和10 kHz对应的仿真结果如图2所示，由此可以看出，紧磁滞回环的面积随着输入电压的频率增大而单调减小，当输入电压的频率趋向于无穷大此时紧磁滞回环也随之收缩为非线性单值函数；当设定输入激励频率f = 200 Hz，分别选取输入信号激励幅值V_m 为3 V、 4 V和5 V对应的仿真结果如图3所示，结果表明：紧磁滞回环的面积随着输入电压的频率增大而单调减小，当输入电压的频率趋向于无穷大此时紧磁滞回环也随之收缩为非线性单值函数，电路所呈出的紧磁滞回环与幅值无关。因此可以说明，由二极管整流桥和一阶并联RC滤波器构建的新型忆阻模拟器符合广义忆阻器呈现出的三个本质特征：(1)当一个双极性周期信号驱动时，该器件在电压-电流平面上为一条在原点紧缩的紧磁滞回线，且响应是周期的；(2)从临界频率始，磁滞旁瓣面积随激励频率增加而单调减少；(3)当频率趋近于无限大时，紧磁滞回线收缩为一个单值函数。从而验证了上述的一种简单的一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器构建的正确性。

通过实验进一步验证理论分析：本发明所提出的一种简单的一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器，基于图1所示的一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器电路图进行电路制作和实验观察，对应的实物图如图4所示。其电路构建较为简单，选取型号为1N4148的二极管构建整流桥电路，采用参数为R = 1 kΩ、C = 1 μF 构建一阶并联RC滤波电路；实验电路中的电阻采用精密可调电阻，电容采用精密瓷片电容，实验结果采用Tektronix DPO3034数字存储示波器捕获测量波形。

在如图4所示的实验电路板上测得一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器电路的输入端电压与输入端电流随输入激励频率f和输入激励幅值V_m 变化的相轨图的实验结果如图5、6所示。

将图5和图6所示的实验结果分别与图2和图3所示的数值仿真结果进行比较后可得：在相同的电路参数和输入激励下，对应的相轨图是基本一致的；受电路参数离散性和温漂特性的影响以及测量精度的限制，实验结果与数值仿真存在着微小的差异，但不影响实验结果的正确性。对比的结果可以说明：本发明实现的由二极管整流桥电路与一阶并联RC滤波电路构成的新型忆阻模拟器确实具有结构简单，并具有可双端输入的特性，对于忆阻器在其他领域中应用将会有巨大的帮助和推进作用。

因此，基于图1所示电路图选取与数值仿真相同的电子元器件及其参数进行电路搭建，同时选择输入激励v = V_m sin(2π ft) V对图4所示电路进行电路实验；设定激励幅值V_m = 4 V，分别选取输入信号激励频率f为200 Hz、2 kHz和10 kHz对应的实验结果如图5所示；设定输入激励频率f = 200 Hz，分别选取输入信号激励幅值V_m 为3 V、4 V和5 V对应的实验结果如图6所示。数值仿真结果与实验结果基本一致，进一步验证了理论分析的正确性，可确定本发明所构建的一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器具有科学的理论依据和物理上的可实现性。

需要说明的第一点是：图4中a、b端口用于实验中对于输入端电流测量，即在实验进行时用导线连接a、b端口，并将连接导线缠绕在电流探头上实现输入端电流的测量；图4滤波电路模块中A、B、C三个接入点用于实现滤波电路结构的转化，如图4中所示：A接入点短接，B、C接入点并联接入R、C实现了一阶并联RC滤波电路；若需要实现一阶串联RL滤波电路，即将B接入点断开，A、C接入点串联接入R、L即可。

需要说明的第二点是：发明所采用的一阶并联RC滤波电路，可由一阶串联RL滤波电路、一阶并联RL滤波电路等效替代，替代所得电路仍具有广义忆阻器特性；例如一阶串联RL滤波电路采用电路参数为R = 1 kΩ、L= 1 μH，此时仍能得到能表现出忆阻特性的紧磁滞回环，此外，电路还可简化只由二极管桥电路与一个电感器组成的电路。具体电路实现仍可采用图4所示电路结构，实现方式可参考“需要说明的第一点”描述的操作方法。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。

Claims

1.一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器，包括二极管整流桥电路和一阶滤波电路；其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器，其特征在于：所述一阶滤波电路为一阶并联RC滤波电路，包括：电阻器R和电容器C；电阻器R与电容器C并联连接，将并联连接的两个端口分别记作e、f端；所述一阶并联RC滤波电路的e端与二极管整流桥电路b端相连；一阶并联RC滤波电路的f端与二极管整流桥电路d端相连。

3.根据权利要求1所述的一种一阶二极管桥电路实现的忆阻模拟器，其特征在于：所述一阶滤波电路为一阶串联RL滤波电路或一阶并联RL滤波电路或仅由一个电感器组成的电路。