CN105447270A - 指数型忆感器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种指数型忆感器电路。本发明包括集成运算放大器U1、集成运算放大器U2和乘法器U3，电压u经过集成运算放大器U1构成磁通量产生电路，集成运算放大器U1用于实现积分运算和反相比例运算，将输出信号再经过集成运算放大器U2和乘法器U3最终得到电流量，集成运算放大器U2用于实现积分运算、指数运算和加法运算，得到需要的指数信号，乘法器U3实现将指数信号和得到的磁通量相乘，得到最终的忆感器电流量。本发明提出了一种实现忆感器特性的模拟电路，用以模拟忆感器的磁通电流特性，替代实际忆感器进行实验和应用及研究。

Description

指数型忆感器电路

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，涉及一种指数形式的忆感器电路，具体涉及一种符合指数型忆感器磁通-电流紧致滞回关系的电路。

背景技术

忆感器(或称记忆电感器)是继忆阻器之后的一类具有记忆特性的非线性电路元器件。与忆阻器类似，此类记忆器件不需外部电源就有记忆信息的功能，因其具有独特的记忆、硬开关和动态存储能力等特性，使其在医学、生物科学、微电子、神经网络以及非遗失性存储、学习、适用和自发行为的仿真等领域有着诱人的潜在应用。相对忆阻器而言，忆感器的研究还比较少，还未实现真实的忆感器器件，目前的研究处于对其特性的建模状态，虽然已报道了几种忆感器建模，但其数学模型和电路模型还不够完善。因此，迫切需要提出新的忆感器数学模型和等效电路，并用其电路模型代替实际的忆感器件用于电路的实验研究与应用电路的设计中。

目前，虽已报导了少量忆感器的数学模型，但大多数模型都只停留在理论分析与仿真验证，而很少由硬件电路构成的等效电路，有的模型较复杂，导致实际应用中难以实现；有的误差较大，难以精确模拟实际忆感器的特性。因此，设计一种更符合其特性的数学模型和对应的等效电路模型，对于增加忆感器模型的类型和未来实现实际的忆感器具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提出了一种指数形式的忆感器数学模型和等效电路模型，用以模拟忆感器的磁通-电流特性，替代实际忆感器进行电路设计和应用。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：包括磁通量产生电路和指数型忆感器等效电路，磁通量产生电路由集成运算放大器U1组成，产生的磁通量作为指数型忆感器等效电路的输入信号，集成运算放大器U1用于实现积分运算和反相比例运算。指数型忆感器等效电路由集成运算放大器U2和乘法器U3构成，集成运算放大器U2用于实现积分运算、指数运算和加法运算，得到我们需要的指数信号，乘法器U3实现将指数信号和得到的磁通量相乘，得到我们最终的忆感器电流量。

优选的，所述的一种指数型忆感器等效电路，包括集成运算放大器U1，集成运算放大器U2，乘法器U3、十个电阻、两个电容、一个二极管。

所述的集成运算放大器U1和集成运算放大器U2采用LM324；乘法器U3采用AD633。

所述的集成运算放大器U1的第1引脚与第一电容C1的一端、第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端、第五电阻R5的一端连接，第2引脚与第一电阻R1的一端、第一电容C1的另一端、第二电阻R2的另一端连接，第3、5引脚接地，第4引脚接电源VCC，第6引脚与第四电阻R4的一端、第三电阻R3的另一端连接，第7引脚与第四电阻R4的另一端、乘法器U3的第1引脚连接并作为磁通量的输出端，第11引脚接电源VEE。

所述的集成运算放大器U2的第1引脚与第二电容C2的一端、第六电阻R6的一端、二极管D1的一端连接，第2引脚与第二电容C2的另一端、第六电阻R6的另一端、第五电阻R5的另一端连接，第3、10、12引脚接地，第4引脚接电源VCC，第8引脚与第十电阻R10的一端、乘法器U3的第3引脚连接，第9引脚与第八电阻R8的一端、第九电阻R9的一端、第十电阻R10的另一端连接，第11引脚接电源VEE，第13引脚与第七电阻R7的一端、二极管D1的另一端连接，第14引脚与第七电阻R7的另一端、第九电阻R9的另一端连接，第一电阻R1的另一端作为电压输入端，第八电阻R8的另一端接-1V的电压。

所述的乘法器U3的第2、4、6引脚接地，第5引脚接电源VEE，第7引脚作为电流的输出端，第8引脚接电源VCC。

本发明设计了一种能够实现忆感器磁通电流特性的指数型模拟等效电路，该模拟电路含有2个集成运算放大器芯片和1个乘法器，结构简单，在目前及未来无法获得实际忆感器件的情况下，可代替实际忆感器实现与忆感器相关的电路设计、实验以及应用，对忆感器的特性和应用研究具有重要的实际意义。

附图说明

图1是本发明的等效电路框图。

图2是本发明模拟等效电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。

本发明的理论出发点是指数型忆感器的磁通电流特性的一般数学表达式：

i(t)和为忆感器的电流与磁通， 为ρ(t)＝0时的忆感值的倒数，ρ₀为系数。

如图1所示，本实例指数型忆感器包括集成运算放大器U1、集成运算放大器U2和乘法器U3，电压u经过集成运算放大器U1得到忆感器的磁通量，再经过集成运算放大器U2和乘法器U3最终得到忆感器的电流量；集成运算放大器U1主要实现积分运算和反相放大运算；集成运算放大器U2主要实现积分运算、指数运算和加法运算；乘法器U3实现两个信号的相乘运算。U1、U2采用LM324，U3采用AD633。

如图2所示，集成运算放大器U1内集成了4个运算放大器，其中第1、2、3引脚对应的运算放大器与第一电阻R1、第二电阻R2以及第一电容C1构成积分电路，来获得忆感器的磁通量，输入的电压为u(t)通过第一电阻R1输入到集成运算放大器U1的第2引脚，U1引脚1的电压为u₁₁(t)：

集成运算放大器U1的第5、6、7引脚对应的运算放大器，与外围第三电阻R3、第四电阻R4构成反相运算放大器，用于实现输入电压u₁(t)的反相增益，从而得到正向的磁通量，U1引脚7的电压为u₁₇(t)：

集成运算放大器U2的第1、2、3引脚对应的运算放大器与第五电阻R5、第六电阻R6以及第二电容C2构成积分电路，来获得磁通量的积分，并作为指数电路的输入信号，U2引脚1的电压为u₂₁(t)：

集成运算放大器U2的第12、13、14引脚与外围二极管D1和第七电阻R7构成指数电路，用于实现磁通量积分的指数运算，U2引脚14的电压u₂₁₄(t)：

$u_{214}\left(t\right)=-I_s{R}_7(e^{\frac{u_{21}}{U_T}}-1)=-I_s{R}_7(e^{\frac{\mathrm{\ρ}\left(t\right)}{R_5{C}_2{U}_T}}-1)$

集成运算放大器U2的第8、9、10引脚与外围第十电阻R10、第八电阻R8以及第九电阻R9构成加法器，用于将指数形式中的多余项-1消掉，U2引脚8的电压u₂₈(t)：

$u_{28}\left(t\right)=-\left(\frac{R_{10}}{R_9}{u}_{214}\right(t)-\frac{R_{10}}{R_8})=\frac{I_s{R}_7{R}_{10}}{R_9}{e}^{\frac{\mathrm{\ρ}\left(t\right)}{R_5{C}_2{U}_T}}-\frac{I_s{R}_7{R}_{10}}{R_9}+\frac{R_{10}}{R_8}$

乘法器U3的型号为AD633，用以实现忆感器磁通量和磁通量积分指数形式的乘积运算，即U3输出端W引脚的电压u_w(t)：

将上式化简为：

为指数型忆感器等效电路的磁通量与电流特性，与比较得知：

$L_0^{-1}=\frac{I_s{R}_4{R}_7{R}_{10}}{R_3{R}_9},{\mathrm{\ρ}}_0=R_5{C}_2{U}_T,\frac{R_4{R}_{10}}{R_3{R}_8}-\frac{I_s{R}_4{R}_7{R}_{10}}{R_3{R}_9}=0$

本实施例的具体电路结构：集成运算放大器U1的第1引脚与第一电容C1的一端、第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端、第五电阻R5的一端连接，第2引脚与第一电阻R1的一端、第一电容C1的另一端、第二电阻R2的另一端连接，第3、5引脚接地，第4引脚接电源VCC，第6引脚与第四电阻R4的一端、第三电阻R3的另一端连接，第7引脚与第四电阻R4的另一端、乘法器U3的第1引脚连接并作为磁通量的输出端，第11引脚接电源VEE。

集成运算放大器U2的第1引脚与第二电容C2的一端、第六电阻R6的一端、二极管D1的一端连接，第2引脚与第二电容C2的另一端、第六电阻R6的另一端、第五电阻R5的另一端连接，第3、10、12引脚接地，第4引脚接电源VCC，第8引脚与第十电阻R10的一端、乘法器U3的第3引脚连接，第9引脚与第八电阻R8的一端、第九电阻R9的一端、第十电阻R10的另一端连接，第11引脚接电源VEE，第13引脚与第七电阻R7的一端、二极管D1的另一端连接，第14引脚与第七电阻R7的另一端、第九电阻R9的另一端连接，第一电阻R1的另一端作为电压输入端，第八电阻R8的另一端接-1V的电压。

乘法器U3的第2、4、6引脚接地，第5引脚接电源VEE，第7引脚作为电流的输出端，第8引脚接电源VCC。

综上，本发明设计的实现指数型忆感器的模拟电路，其利用模拟电路实现忆感器的磁通电流特性，具体实现了忆感器的磁通电流特性。本发明利用集成运算放大器和模拟乘法器电路实现忆感器特性中的相应运算，其中，集成运算放大器主要用于实现电压和磁通量的积分运算、磁通量积分的指数运算、电压反向放大和加法运算，模拟乘法器用于实现磁通量与磁通量积分指数形式的乘积运算。

本领域的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来验证本发明，而并非作为对本发明的限定，只要是在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.指数型忆感器电路，包括磁通量产生电路和指数型忆感器等效电路，磁通量产生电路由集成运算放大器U1组成，产生的磁通量作为指数型忆感器等效电路的输入信号，集成运算放大器U1用于实现积分运算和反相比例运算；指数型忆感器等效电路由集成运算放大器U2和乘法器U3构成，集成运算放大器U2用于实现积分运算、指数运算和加法运算，得到指数信号；乘法器U3实现将指数信号和得到的磁通量相乘，得到终的忆感器电流量。

2.根据权利要求1所述的指数型忆感器电路，其特征在于：所述的集成运算放大器U1、集成运算放大器U2采用LM324，乘法器U2采用AD633；集成运算放大器U1的第7脚输出忆感器磁通量，乘法器U3的第7引脚输出忆感器电流。

3.根据权利要求2所述的指数型忆感器电路，其特征在于：所述的集成运算放大器U1的第1引脚与第一电容C1的一端、第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端、第五电阻R5的一端连接，第2引脚与第一电阻R1的一端、第一电容C1的另一端、第二电阻R2的另一端连接，第3、5引脚接地，第4引脚接电源VCC，第6引脚与第四电阻R4的一端、第三电阻R3的另一端连接，第7引脚与第四电阻R4的另一端、乘法器U3的第1引脚连接并作为磁通量的输出端，第11引脚接电源VEE。

4.根据权利要求3所述的指数型忆感器电路，其特征在于：所述的集成运算放大器U2的第1引脚与第二电容C2的一端、第六电阻R6的一端、二极管D1的一端连接，第2引脚与第二电容C2的另一端、第六电阻R6的另一端、第五电阻R5的另一端连接，第3、10、12引脚接地，第4引脚接电源VCC，第8引脚与第十电阻R10的一端、乘法器U3的第3引脚连接，第9引脚与第八电阻R8的一端、第九电阻R9的一端、第十电阻R10的另一端连接，第11引脚接电源VEE，第13引脚与第七电阻R7的一端、二极管D1的另一端连接，第14引脚与第七电阻R7的另一端、第九电阻R9的另一端连接，第一电阻R1的另一端作为电压输入端，第八电阻R8的另一端接-1V的电压。

5.根据权利要求4所述的指数型忆感器电路，其特征在于：所述乘法器U3的第2、4、6引脚接地，第5引脚接电源VEE，第7引脚作为电流的输出端，第8引脚接电源VCC。