CN107169253B - 对数型忆容器等效模拟电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了对数型忆容器等效模拟电路，本发明中电路模型利用运算放大器和乘法器等器件构建了满足指数型磁控忆容器特性的电路模型，可应用于忆容器基础电路特性的研究，以及忆容器非线性电路的研究。具体采用集成电路U1实现积分器、反向求和运算电路、对数运算电路、反相放大器等功能，集成电路U2和U3实现乘法器功能，当输入正弦激励信号时，可以用示波器观察其特性，电压信号与电荷信号的电压值之间满足“8”字形的紧致滞回曲线特性，且随信号频率的增加，其滞回旁瓣面积减小。该电路结构简单清晰，作为实际忆容器的仿真器，对忆感器的特性和应用研究具有重要意义。

Description

对数型忆容器等效模拟电路

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，具体涉及一种满足忆容器电荷-电压关系的对数模型且具有滞回特性的等效模拟电路。

背景技术

1971年，蔡少棠教授在电阻、电容和电感的基础上提出了忆阻器的概念，用来表示电荷q和磁通

之间的关系。2008年惠普实验室发现了忆阻器的存在，并在《Nature》上进行了报道。忆阻器具有纳米尺度结构，在非遗失性存储器及人工神经网络的研究等方面具有重要意义。由于纳米器件制作成本高，实现困难，目前还未商业化。2009年蔡少棠等人在忆阻器的基础上，提出了忆容器和忆感器的概念。忆容器是表征电荷与电压之间关系的记忆器件，其当前状态依赖于其系统的过去状态，且其状态在断电之后可以进行保持，其基本特性就是电压信号与电荷信号的关系相图为“8”字形的紧致滞回曲线。由于忆阻器数学建模比较完善，目前对忆阻器的研究较为广泛，而对忆容器的研究还处在起始阶段。因而，设计一种忆容器等效电路并用其替代实际记忆器件进行实验和应用研究具有重要意义。

目前，有关忆容器的仿真模型中，主要有一次光滑曲线模型和二次光滑曲线模型，研究者主要应用这些少数的忆容器模型进行电路设计和仿真，难以拓展研究方向。已知的由硬件等效电路构成的忆容器等效电路，实现效果较差，难以模拟实际忆容器的特性。因此，设计一种忆容器的等效电路仍具有较大的意义与价值。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种新型的对数型磁控忆容器等效电路模型，用以模拟忆容器电压-电荷的滞回特性，作为实际忆容器的仿真器。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

对数型忆容器等效模拟电路，包括集成运算放大器U1和模拟乘法器U2、模拟乘法器U3，实现忆容器电荷-电压满足的滞回曲线；所述集成运算放大器U1用于实现反相运算、加法运算、积分运算和对数运算；乘法器U2和乘法器U3实现乘法运算。

所述的集成运算放大器U1采用LF347N，其内共有四个运算放大器，集成运算放大器U1的第4引脚接正电源，第11引脚接负电源；集成运算放大器U1的第1引脚、第2引脚、第3引脚对应的运算放大器与电容C1、电阻R1、电阻R2组成积分电路，实现积分运算；集成运算放大器U1的第5引脚、第6引脚、第7引脚对应的运算放大器与电阻R7、电阻R8组成反相器，实现反相运算；集成运算放大器U1的第8引脚、第9引脚、第10引脚对应的运算放大器与电阻R6、二极管D1组成对数运算电路，实现对数运算；集成运算放大器U1的第12引脚、第13引脚、第14引脚对应的运算放大器与电阻R3、电阻R4、电阻R5组成加法电路，实现加法运算。

所述的乘法器U2采用AD633JN，乘法器U2的第1引脚和第3引脚连接集成运算放大器U1的第1引脚；乘法器U2的第2引脚、第4引脚和第6引脚接地；乘法器U2的第5引脚接负电源，第8引脚接正电源，第7引脚为乘法器U2的输出。

所述的乘法器U3采用AD633JN，乘法器U3的第1引脚连接输入信号，乘法器U3的第3引脚连接集成运算放大器U1的第7引脚，乘法器U3的第2引脚、第4引脚和第6引脚接地，乘法器U3的第5引脚接负电源，第8引脚接正电源，乘法器U3的第7引脚为乘法器U3的输出。

本发明利用运算放大器和乘法器等器件构建了满足指数型磁控忆容器特性的电路模型，可应用于忆容器基础电路特性的研究，以及忆容器非线性电路的研究，比如构建忆容器混沌电路等。根据磁控忆容器的数学定义式

设计了磁控忆容器二端口模拟电路模型，集成电路U1实现了积分器、反向求和运算电路、对数运算电路、反相放大器等功能，集成电路U2和U3实现了乘法器功能，当输入正弦激励信号时，可以用示波器观察其特性，电压信号与电荷信号的电压值之间满足“8”字形的紧致滞回曲线特性，且随信号频率的增加，其滞回旁瓣面积减小。该电路结构简单清晰，作为实际忆感器的仿真器，对忆感器的特性和应用研究具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明包括集成运算放大器U1和乘法器U2、U3，集成运算放大器U1用于实现积分运算、反向加法器、对数运算和反相放大器的功能；乘法器U2、U3实现了乘法器功能，乘法器U3用于实现信号的相乘。当输入正弦激励信号时，可以用示波器观察其特性，电压信号与电荷信号的电压值之间满足“8”字形的紧致滞回曲线特性，且随信号频率的增加，其滞回旁瓣面积减小。

优选的，集成运算放大器U1采用LF347N，其内共有四个运算放大器。

集成运算放大器U1的第4引脚接电源VCC，第11引脚接电源VEE；第1引脚、第2引脚、第3引脚对应的运算放大器与电容C1、电阻R1、R2组成积分电路；第5引脚、第6引脚、第7引脚对应的运算放大器与电阻R7、电阻R8组成反相器；第8引脚、第9引脚、第10引脚对应的运算放大器与电阻R6、二极管D1组成对数运算电路；第12引脚、第13引脚、第14引脚对应的运算放大器与电阻R3、R4、R5组成反向加法电路。

模拟乘法器U2、U3采用AD633JN，所述乘法器U2的X1引脚、Y1引脚与集成运算放大器U1的第1引脚相连，X2引脚和Y2引脚接地，VS+引脚接电源VCC，VS-引脚接电源VEE，Z引脚接地，W引脚为乘法器输出。乘法器U3的X1引脚通过电阻R1后接集成运算放大器U1的第2引脚，Y1引脚与集成运算放大器U1的第7引脚相连，X2引脚和Y2引脚接地，VS+引脚接电源VCC，VS-引脚接电源VEE，Z引脚接地，W引脚为乘法器输出。

本发明提出的对数型磁控忆容器定义式为：

其中，k、α和β均为系数。

实施例：

如图1所示，忆容器模拟等效电路包括集成运算放大器U1和乘法器U2、U3，U1采用LF347N，U2采用AD633JN。集成运算放大器U1用于实现积分运算、反向加法运算、对数运算和反向器；乘法器U2、U3实现乘法运算。

如图2所示，输入信号u(t)经电阻R1进入由集成运算放大器U1的引脚1、引脚2、引脚3与电阻R1、R2，电容C1组成的积分电路，得到电压的积分，即U1引脚1的电压：

u_o1输入到乘法器U2，得输出端W引脚的电压：

u_2w输入到由U1的引脚12、引脚13、引脚14与电阻R3、R4、R4组成的反向加法器，施加-5V电源，得U1引脚14的电压：

令

则

u₁₄输入到由U1的引脚8、引脚9、引脚10和二极管D1，电阻R6组成的对数运算电路，得U1引脚8的电压：

u₈输入到由U1的引脚5、引脚6、引脚7和电阻R7、R8构成的反相器，得U1引脚7的电压：

u₇与u(t)输入到乘法器U3，得输出端W引脚的电压：

U_T为热电压，常温下为常数。令u_3w＝q(t)，

则忆容器的电荷-电压特性为：

集成运算放大器U1的第4引脚接+15V电源VCC，第11引脚接-15V电源VEE。乘法器U2的X1引脚、Y1引脚接集成运算放大器U1的第1引脚，X2引脚和Y2引脚接地，VS+引脚接+15V电源VCC，VS-引脚接-15V电源VEE，Z引脚接地，W引脚为输出。乘法器U3的X1引脚接集成运算放大器U1的第2引脚，Y1引脚接集成运算放大器U1的第7引脚，X2引脚和Y2引脚接地，VS+引脚接+15V电源VCC，VS-引脚接-15V电源VEE，Z引脚接地，W引脚为输出。

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 (1)

1.对数型忆容器等效模拟电路，其特征在于：包括集成运算放大器U1和模拟乘法器U2、模拟乘法器U3，实现忆容器电荷-电压满足的滞回曲线；所述集成运算放大器U1用于实现反相运算、加法运算、积分运算和对数运算；乘法器U2和乘法器U3实现乘法运算；

所述的集成运算放大器U1采用LF347N，其内共有四个运算放大器，集成运算放大器U1的第4引脚接正电源，第11引脚接负电源；集成运算放大器U1的第1引脚、第2引脚、第3引脚对应的运算放大器与电容C1、电阻R1、电阻R2组成积分电路，实现积分运算；集成运算放大器U1的第5引脚、第6引脚、第7引脚对应的运算放大器与电阻R7、电阻R8组成反相器，实现反相运算；集成运算放大器U1的第8引脚、第9引脚、第10引脚对应的运算放大器与电阻R6、二极管D1组成对数运算电路，实现对数运算；集成运算放大器U1的第12引脚、第13引脚、第14引脚对应的运算放大器与电阻R3、电阻R4、电阻R5组成加法电路，实现加法运算；

所述的乘法器U2采用AD633JN，乘法器U2的第1引脚和第3引脚连接集成运算放大器U1的第1引脚；乘法器U2的第2引脚、第4引脚和第6引脚接地；乘法器U2的第5引脚接负电源，第8引脚接正电源，第7引脚为乘法器U2的输出；

所述的乘法器U3采用AD633JN，乘法器U3的第1引脚连接输入信号，乘法器U3的第3引脚连接集成运算放大器U1的第7引脚，乘法器U3的第2引脚、第4引脚和第6引脚接地，乘法器U3的第5引脚接负电源，第8引脚接正电源，乘法器U3的第7引脚为乘法器U3的输出。

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