CN107526896A - 一种磁控忆感器模型的等效模拟电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控忆感器模型的等效模拟电路。该电路包括集成运算放大器U1和乘法器U2，集成运算放大器U1用于实现反向器、反向加法运算和积分运算；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U1最终得到电流量，集成运算放大器U1与乘法器U2相连，乘法器用于实现信号的相乘，将乘积后的信号再返回给运算放大器U1。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

一种磁控忆感器模型的等效模拟电路

技术领域

本发明属于电路器件设计技术领域，涉及一种忆感器模型及其等效电路，具体涉及一种忆感器数学模型及实现符合忆感器磁通量、电流关系的等效模拟电路。

背景技术

忆感器与忆容器是继忆阻器之后的具有记忆特性的非线性电路元器件。蔡少棠在电阻、电容和电感的基础上提出了忆阻器的概念，2008年惠普实验室实现了忆阻器。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、神经网络及非遗失性存储等多个领域有着巨大的潜力。相对忆阻器而言，忆感器和忆容器的研究还比较少，目前的研究还处于对其特性的建模状态，未实现真实的器件，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，有关忆感器的仿真模型中，主要有分段函数模型、二次光滑曲线模型和三次光滑曲线模型，研究者一般忽略内部变量对磁通积分量变化率的影响来研究忆阻系统，而实际器件的内部情况要复杂得多。已知的由硬件等效电路构成的忆感器等效电路可认为是理想忆感器模型，难以模拟实际忆感器内部的复杂特性。因此，设计一种考虑内部状态变量的忆感器及其等效电路具有较大的意义与价值。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提出了一种新型的忆感器数学模型和等效电路模型，该忆容器等效电路模型完整的描述了磁控忆容器的基本定义式其中考虑了内部状态变量ρ对其导数的影响。当输入正弦激励信号时，可以用示波器观察其特性，电流信号与磁通量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。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

本发明包括集成运算放大器U1和乘法器U2，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中的第一个积分器和反相器分别用于实现积分运算和反相比例运算，将输出信号再经过U1最终得到电流量，集成运算放大器U1中的第二个积分器和加法器分别用于实现积分运算和求和运算；集成运算放大器U1与乘法器U2相连，乘法器用于实现信号的相乘，将乘积后的信号再返回给运算放大器U1。

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1脚输出忆感器磁通量，第14脚输出忆感器磁通量积分量，第8脚输出忆感器电流i。

进一步优选的，集成运算放大器U1的第1引脚通过电容C1和电阻R2的并联接第2引脚，电压u通过电阻R1接第2引脚，第3引脚接地，第4引脚接电源VCC，第5引脚接地，第6引脚通过电阻R6接第7引脚，再通过电阻R5接输入电压，第7引脚通过电阻R9接第9引脚，第8引脚通过电阻R10接第9引脚，第9引脚通过电阻R8接第14引脚，第10引脚接地，第11引脚接电源VEE，第12引脚接地，第13引脚通过电阻R3接第1引脚，第14引脚通过电容C2和电阻R4的并联接第13引脚。

再进一步优选的，乘法器U2采用AD633JN；所述乘法器的X1引脚接集成运算放大器U1的第1引脚，Y1引脚接集成运算放大器的第14引脚，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引脚通过电阻R7接集成运算放大器的第9引脚。

本发明设计了一种考虑内部状态变量影响的忆感器模拟等效电路，该模拟电路含有1个集成运算放大器和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，可用于忆感器相关电路设计、实验及应用的研究，对忆感器的特性和应用研究具有重要的实际意义。

本发明设计的实现忆感器的模拟电路，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、反相运算和加法运算，模拟乘法器用于获得忆感器的磁通量和磁通量积分的乘积。

附图说明

图1是本发明的忆感器等效电路图。

图2是本发明忆感器特性的模拟电路原理图。

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提出磁控忆感器的韦安关系的一种数学模型：

i＝aρ-bρφ

其中，变量表示忆感器的磁通量，变量ρ表示忆感器的状态，a,b,c,d为系数，本模型试验a＝0.25,b＝0.048,c＝1.55,d＝1.24能够获得良好的紧致滞回曲线特性。

如图1所示，本实例忆感器模拟等效电路包括集成运算放大器U1和乘法器U2。U1采用LF347N，U2采用AD633JN，均为现有技术。集成运算放大器U1用于实现积分运算(U1-1，U1-2)、反向加法运算(U1-3)和反向器(U1-4)；乘法器U2用于实现两个信号的乘法(U2)。

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构成第一个积分运算电路。输入信号U经电阻R1进入由电阻R2和电容C1构成的积分电路，得到电压的积分，即忆感器的磁通量：不妨设设输入的电压为u(t)：

集成运算放大器U1的第5、6、7引脚对应的运算放大器，与外围电阻R5、R6构成反向运算放大器，用于实现输入电压u(t)的反向增益，从而得到反向的电压，U1引脚7的电压为：

集成运算放大器U1的第12、13、14引脚与外围电容C2、电阻R4和电阻R3构成积分器，可得到忆感器磁通量的积分，即U1引脚14的电压：

乘法器U2的型号为AD633JN，可以得到忆感器磁通量与磁通量积分的乘积，结果即是U2输出端W引脚的电压：

集成运算放大器U1的第8、9、10引脚与外围电阻R7、电阻R8、以及电阻R10构成反相加法器，可以得到忆感器的磁通量积分量和乘法器输出量相加，电阻R9、电阻R10又与集成运算放大器的第8、9、10引脚构成反相器，输出通过R11与输入电压相连构成回路。即U1引脚8的电压：

将上式化简为：

忆感器模拟等效电路的韦安特性与磁控忆感器韦安特性比较可得忆感倒数：

集成运算放大器U1的第1引脚通过电容C1和电阻R2的并联接第2引脚，电压u通过电阻R1接第2引脚，第3引脚接地，第4引脚接电源VCC，第5引脚接地，第6引脚通过电阻R6接第7引脚，再通过电阻R5接输入电压，第7引脚通过电阻R9接第9引脚，第8引脚通过电阻R10接第9引脚，第9引脚通过电阻R8接第14引脚，第10引脚接地，第11引脚接电源VEE，第12引脚接地，第13引脚通过电阻R3接第1引脚，第14引脚通过电容C2和电阻R4的并联接第13引脚。

乘法器U2采用AD633JN；所述乘法器的X1引脚接集成运算放大器U1的第1引脚，Y1引脚结集成运算放大器的第14引脚，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引脚通过电阻R7接集成运算放大器的第9引脚。

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)

1.一种磁控忆感器模型的等效模拟电路，该等效电路基于下述模型设计：变量i、ρ分别表示忆感器的电流、磁通量和忆感器的内部状态变量，a,b,c,d为系数；该等效电路包括集成运算放大器U1和乘法器U2，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、求和运算和反相运算；集成运算放大器U1与乘法器U2相连，乘法器用于实现信号的相乘，将乘积后的信号再返回给集成运算放大器U1；

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1脚输出忆感器磁通量，第14脚输出忆感器磁通量的积分量，第8脚输出忆感器电流i；

所述的集成运算放大器U1的第1引脚通过电容C1和电阻R2的并联接第2引脚，电压u通过电阻R1接第2引脚，第3引脚接地，第4引脚接电源VCC，第5引脚接地，第6引脚通过电阻R6接第7引脚，再通过电阻R5接输入电压，第7引脚通过电阻R9接第9引脚，第8引脚通过电阻R10接第9引脚，第9引脚通过电阻R8接第14引脚，第10引脚接地，第11引脚接电源VEE，第12引脚接地，第13引脚通过电阻R3接第1引脚，第14引脚通过电容C2和电阻R4的并联接第13引脚。

所述的乘法器U2采用AD633JN；所述乘法器的X1引脚接集成运算放大器U1的第1引脚，Y1引脚接集成运算放大器的第14引脚，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引脚通过电阻R7接集成运算放大器的第9引脚。