CN106782647A - 一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路，包括二极管D1、D2和电解电容C1、C2。二极管D1的正端与电解电容C2的负端相连并作为等效电路的第一输入端，二极管D1的负端与电解电容C1的正端相连，二极管D2的负端与电解电容C2的正端相连，电解电容C1的负端与二极管D2的正端相连并作为等效电路的第二输入端。本电路利用二极管的伏安特性和电解电容的积分特性，使其符合忆阻器的特性；仅仅使用了二极管和电解电容，电路结构简单，易于实现，所用电路原件少，成本低；相比传统型，能够适用各种功率环境，包括大功率应用电路环境。

Description

一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路。

背景技术

忆阻器是由华裔科学家蔡少棠提出的一种具有记忆特性的基本元件，分为磁控忆阻器和荷控忆阻器，其中磁控忆阻器的定义式为：

i＝g(x,v)v (1)

其中，v为输入电压，i为输入电流，x表示状态变量，g表示电压和电流的函数关系，f为状态变量和电压的函数关系。

它基本特性为，当输入正弦波信号时，忆阻器的伏安特性曲线为一个“斜八字”。

忆阻器的理论模型被提出至今,暂时还没有找到对应的实物。2008年HP公司利用TiO₂和TiO_2-x薄膜制造了忆阻器实物模型，但是该实物为纳米级别，极大地限制了其在实际电路中的应用。

通过忆阻器的等效实现电路，可以方便科研人员在实验室环境下观察忆阻器的电学特性，并为其应用电路提供可用的实物模型。但是现在所提出的忆阻器等效电路模型大多采用运算放大器等信号器件搭建而成，这样的电路存在结构复杂，耐压能力较低等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路，所述电路包括相互并联的第一支路和第二支路，所述第一支路包括相互串联的二极管D1与电解电容C1，所述第二支路包括相互串联二极管D2与电解电容C2，在同一个支路内，二极管和电容的位置可以交换，所述电路中依据电流的流向二极管的负端串联电容的正端，或电容的负端串联二极管的正端。

进一步地，所述二极管D1的正端与所述电解电容C2的负端相连并作为等效电路的第一输入端，所述二极管D1的负端与所述电解电容C1的正端相连，所述二极管D2的负端与所述电解电容C2的正端相连，所述电解电容C1的负端与所述二极管D2的正端相连并作为等效电路的第二输入端。

进一步地，所述电解电容C1的正端与所述二极管D2的负端相连并作为等效电路的第一输入端，所述电解电容C1的负端与所述二极管D1的正端相连，所述电解电容C2的负端与所述二极管D2的正端相连，所述二极管D1的负端与所述电解电容C2的正端相连并作为等效电路的第二输入端。

进一步地，所述电路还包括滤波电路，所述滤波电路串联或者并联在等效电路的输入端。

上述滤波电路用来改善电路的忆阻特性，其本质依然是基于二极管和电容实现忆阻功能的简单电路。

进一步地，多个二极管的串并联可以等效替代所述二极管D1和/或所述二极管D2，多个电容的串并联可以等效替代所述电解电容C1和/或所述电解电容C2。

进一步地，所述电路的第一输入端和第二输入端可并联多个由二极管和电容串联构成的支路。

进一步地，给定输入电压v_in，根据KVL，可以推出二极管D1和D2上的电压：

其中v_C1，v_C2分别为电解电容C1，C2上的电压，v_D1和v_D2分别为二极管D1和D2上的电压；

又根据KCL以及二极管特征方程得到：

其中I_s为二极管的反向饱和电流，U_T表示温度的电压当量，在常温下为26mV，i_D1和i_D2分别为流过二极管D1和D2上的电流；

将(3)式代入(4)式，得到：

对上式中的指数函数进行泰勒展开得到：

v_C1和v_C2为状态变量，有状态变量方程为：

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明利用二极管的伏安特性和电解电容的积分特性，使其符合忆阻器的特性。

2、本发明仅仅使用了二极管和电解电容，电路结构简单，易于实现，所用电路原件少，成本低。

3、本发明相比传统型，能够适用各种功率环境，包括大功率应用电路环境。现有的基于集成运放构造的忆阻器等效实现电路模型由于受到运放本身功率级别的限制，所能处理的信号功率较小。基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路原理上可适用任意功率等级的应用电路。

附图说明

图1为本发明中公开的一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路的原理图；

图2为本发明中公开的一种串联滤波电路的基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路；

图3为本发明中公开的一种并联滤波电路的基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路；

图4为本发明中公开的一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路的电路仿真图；

图5为本发明中公开的一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路的伏安特性曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1，一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路的具体构造为：二极管D1的正端与电解电容C2的负端相连并作为等效电路的第一输入端，二极管D1的负端与电解电容C1的正端相连，二极管D2的负端与电解电容C2的正端相连，电解电容C1的负端与二极管D2的正端相连并作为等效电路的第二输入端。

给定输入电压v_in，根据KVL，可以推出二极管D1和D2上的电压：

其中v_C1，v_C2分别为电解电容C1，C2上的电压，v_D1和v_D2分别为二极管D1和D2上的电压。又根据KCL以及二极管特征方程得到：

其中I_s为二极管的反向饱和电流，U_T表示温度的电压当量，在常温下为26mV，i_D1和i_D2分别为流过二极管D1和D2上的电流。将(3)式代入(4)式，得到：

对上式中的指数函数进行泰勒展开得到：

v_C1和v_C2为状态变量，有状态变量方程为：

从(6)，和(7)可以看出，所提出的电路是符合忆阻特性的。

如图2所示为一种串联滤波电路的基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路。其滤波电路可以是电感或者其他滤波电路，通过增加滤波电路可以在一定程度上改善由二极管的死区在原点处造成的平台。

如图3所示为一种并联滤波电路的基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路。其滤波电路可以是电解电容或者其他滤波电路，其目的同样的是在一定程度上改善由二极管的死区在原点处造成的平台。

图4为本发明中公开的一种串联滤波电路的基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路的电路仿真图。此处给定输入电压为正弦波v_in＝100sin(2π*100t)，电解电容参数设置为C₁＝800uF，C₂＝1uF。此时以输入电压为横轴，输入电流为纵轴，测量出伏安特性曲线如图5所示。从图5中可以看出，其伏安特性曲线满足忆阻器的伏安特性曲线的要求。

综上所述，本发明公开了一种串联滤波电路的基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的简单电路。该电路结构非常简单，所用器件少，为忆阻器的应用研究提供了可实现的等效电路，也为忆阻器的内部机理研究提供了全新的视角。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路，其特征在于，所述电路包括相互并联的第一支路和第二支路，所述第一支路包括相互串联的二极管D1与电解电容C1，所述第二支路包括相互串联二极管D2与电解电容C2，在同一个支路内，二极管和电容的位置可以交换，所述电路中依据电流的流向二极管的负端串联电容的正端，或电容的负端串联二极管的正端。

2.根据权利要求1所述的一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路，其特征在于，

所述二极管D1的正端与所述电解电容C2的负端相连并作为等效电路的第一输入端，所述二极管D1的负端与所述电解电容C1的正端相连，所述二极管D2的负端与所述电解电容C2的正端相连，所述电解电容C1的负端与所述二极管D2的正端相连并作为等效电路的第二输入端。

3.根据权利要求1所述的一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路，其特征在于，

所述电解电容C1的正端与所述二极管D2的负端相连并作为等效电路的第一输入端，所述电解电容C1的负端与所述二极管D1的正端相连，所述电解电容C2的负端与所述二极管D2的正端相连，所述二极管D1的负端与所述电解电容C2的正端相连并作为等效电路的第二输入端。

4.根据权利要求2或者3所述的一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路，其特征在于，

所述电路还包括滤波电路，所述滤波电路串联或者并联在等效电路的输入端。

5.根据权利要求1所述的一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路，其特征在于，

多个二极管的串并联可以等效替代所述二极管D1和/或所述二极管D2，多个电容的串并联可以等效替代所述电解电容C1和/或所述电解电容C2。

6.根据权利要求2或者3所述的一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路，其特征在于，

所述电路的第一输入端和第二输入端可并联多个由二极管和电容串联构成的支路。

7.根据权利要求1所述的一种基于二极管和电解电容串联实现忆阻功能的电路，其特征在于，

给定输入电压v_in，根据KVL，可以推出二极管D1和D2上的电压：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{D1}=v_{in}-v_{C1}\\ v_{D2}=-v_{C2}-v_{in}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中v_C1，v_C2分别为电解电容C1，C2上的电压，v_D1和v_D2分别为二极管D1和D2上的电压；

又根据KCL以及二极管特征方程得到：

$\begin{array}{c}i=i_{D1}-i_{D2}\\ =I_s(e^{\frac{v_{D1}}{U_T}}-e^{\frac{v_{D2}}{U_T}})\end{array}---\left(4\right)$

其中I_s为二极管的反向饱和电流，U_T表示温度的电压当量，在常温下为26mV，i_D1和i_D2分别为流过二极管D1和D2上的电流；

将(3)式代入(4)式，得到：

$i=I_s(e^{\frac{-v_{C1}+v_{in}}{U_T}}-e^{\frac{-v_{C2}-v_{in}}{U_T}})---\left(5\right)$

对上式中的指数函数进行泰勒展开得到：

$i=I_s(e^{\frac{-v_{C1}}{U_T}}\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{v_{in}^{n-1}}{U_T^{n}n!}-e^{\frac{-v_{C2}}{U_T}}\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{v_{in}^{n-1}}{{(-U_T)}^{n}n!})v_{in}---\left(6\right)$

v_C1和v_C2为状态变量，有状态变量方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dv}}_{C1}}{dt}=\frac{I_s{e}^{\frac{-v_{C1}}{U_T}}\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{v_{in}^n}{U_T^{n}n!}}{C1}\\ \frac{{\mathrm{dv}}_{C2}}{dt}=\frac{I_s{e}^{\frac{-v_{C2}}{U_T}}\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{v_{in}^n}{{(-U_T)}^{n}n!}}{C2}\end{array}\right.---\left(7\right).$