CN107451380A - 实现指数型荷控忆容器仿真器的电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现指数型荷控忆容器仿真器的电路。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，输入电流i经过集成运算放大器U1得到忆容器的电荷量，再经过集成运算放大器U2和乘法器U3最终得到忆容器的电压量；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。本发明提出了一种实现忆容器特性的模拟电路，用模拟忆容器的伏库特性，替代实际忆容器进行实验和应用。

Description

实现指数型荷控忆容器仿真器的电路

技术领域

本发明属于电路器件模型设计技术领域，涉及一种指数形式的荷控忆容器仿真器电路，具体涉及一种符合指数型荷控忆容器电压-电荷紧磁滞回关系的仿真器电路。

背景技术

忆容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。此类器件具有纳米结构和记忆特性，无需电源即可存储信息，可应用于非遗失性存储器和人工神经网络等领域。目前，虽然已报道了几种忆容器建模，但其数学模型和电路模型还不够完善，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容器的特性。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，对于增加忆容器模型的类型和实现实际的忆容器具有重要意义。

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荷控忆容器数学模型和等效电路模型，数学模型为其中，u(t)和q(t)为忆容器的电压与电荷，σ(t)＝∫q(t)dt，为σ(t)＝0时的忆容值的倒数，a,b为系数；该模型用以模拟忆容器的伏库特性，替代实际忆容器进行实验和应用研究。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：实现忆容器仿真器的电路，包括电荷产生电路和指数型荷控忆容器等效电路，电荷产生电路由集成运算放大器U1组成，产生的电荷作为指数型荷控忆容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。指数型荷控忆容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、加法运算、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电荷量相乘，得到最终忆容器的电压量。

进一步优选的，集成运算放大器U1和集成运算放大器U2采用LM324N；乘法器U3采用AD633JN；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、第五电阻R5的一端、乘法器U3的第1引脚连接并作为电荷量的输出端，第11引脚接电源VEE。

更进一步优选的，集成运算放大器U2的第1引脚与第十三电阻R13的一端、二极管D1的一端连接，第2引脚与第十一电阻R11、第十二电阻R12的一端及第十三电阻R13另一端连接，第3、7、10、12引脚接地，第4引脚接电源VCC，第5引脚与第二电容C2的一端、第六电阻R6的一端、第十一电阻R11的另一端连接，第6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的另一端作为电流输入端，第八电阻R8的另一端接-1V的电压，第十二电阻R12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引脚作为电压的输出端，第8引脚接电源VCC。

本发明设计了一种能够实现忆容器伏库特性的指数型模拟等效电路，该模拟电路含有2个集成运放和1个乘法器，结构简单。本发明利用集成运算放大器和模拟乘法器电路实现忆容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流和电荷的积分运算、电荷积分的指数运算、电压反向放大运算和加法运算，模拟乘法器用于实现电荷与电荷积分指数形式的乘积运算。

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荷控忆容器的伏库特性的一般数学表达式：

其中，u(t)和q(t)为忆容器的电压与电荷，σ(t)＝∫q(t)dt，为σ(t)＝0时的忆容值的倒数，a,b为系数。

如图1所示，本实例实现忆容器仿真器的电路包括集成运算放大器U1、集成运算放大器U2和乘法器U3，电流i经过集成运算放大器U1得到忆容器的电荷量，再经过集成运算放大器U2和乘法器U3最终得到忆容器的电压量；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LM324N，U3采用AD633JN，LM324N、AD633JN均为现有技术。

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，来获得忆容器的电荷量，输入的电流为i(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u₁₁(t)的反相增益，从而得到正向的电荷量，U1引脚7的电压为u₁₇：

集成运算放大器U2的第5、6、7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，来获得电荷的积分，并作为指数电路的输入信号，U2引脚5的电压为u₂₅(t)：

集成运算放大器U2的第1、2、3引脚与外围第十三电阻R13、第十二电阻R12以及第十一电阻R11构成加法器，同时利用电压源提供一个电压为-1V的电压信号通过R12连接U2运算放大器的第2引脚，所以反向求和运算电路的输出端运算放大器U2的第1引脚的电压为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，用于实现电荷积分的指数运算，U2引脚14的电压u₂₁₄(t)：

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)：

乘法器U3的型号为AD633，用以实现忆容器电荷量和电荷量积分指数形式的乘积运算，即U3输出端第七引脚的输出电压u₃₇：

将上式化简为：

为指数型荷控忆容器等效电路的伏库特性，与比较得知：

且

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、第五电阻R5的一端、乘法器U3的第1引脚连接并作为电荷量的输出端，第11引脚接电源VEE。

集成运算放大器U2的第1引脚与第十三电阻R13的一端、二极管D1的一端连接，第2引脚与第十一电阻R11的一端、第十二电阻R12的一端及第十三电阻R13另一端连接，第3、7、10、12引脚接地，第4引脚接电源VCC，第5引脚与第二电容C2的一端、第六电阻R6的一端、第十一电阻R11的另一端连接，第6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的另一端作为电流输入端，第八电阻R8的另一端接-1V的电压，第十二电阻R12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引脚作为电压的输出端，第8引脚接电源VCC。

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.实现指数型荷控忆容器仿真器的电路，其特征在于该电路基于下述数学模型设计：其中，u(t)和q(t)为忆容器的电压与电荷，σ(t)＝∫q(t)dt，为σ(t)＝0时的忆容值的倒数，a,b为系数；该电路具体包括集成运算放大器U1、集成运算放大器U2和乘法器U3，输入电流i经过集成运算放大器U1得到忆容器的电荷量，再经过集成运算放大器U2和乘法器U3最终得到忆容器的电压量；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。

2.根据权利要求1所述的实现指数型荷控忆容器仿真器的电路，其特征在于：所述的集成运算放大器U1、U2采用LF347N；乘法器U3采用AD633JN；集成运算放大器U1的第7脚输出忆容器电荷量，乘法器U3的第7引脚输出忆容器电压。

3.根据权利要求2所述的实现指数型荷控忆容器仿真器的电路，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、第五电阻R5的一端、乘法器U3的第1引脚连接并作为电荷量的输出端，第11引脚接电源VEE。

4.根据权利要求3所述的实现指数型荷控忆容器仿真器的电路，其特征在于：所述的集成运算放大器U2的第1引脚与第十三电阻R13的一端、二极管D1的一端连接，第2引脚与第十一电阻R11、第十二电阻R12的一端及第十三电阻R13另一端连接，第3、7、10、12引脚接地，第4引脚接电源VCC，第5引脚与第二电容C2的一端、第六电阻R6的一端、第十一电阻R11的另一端连接，第6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的另一端作为电流输入端，第八电阻R8的另一端接-1V的电压，第十二电阻R12的另一端接-1V的电压。

5.根据权利要求4所述的实现指数型荷控忆容器仿真器的电路，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引脚作为电压的输出端，第8引脚接电源VCC。