CN107945829A - 一种忆导值可调的门极可控三端口忆阻器模拟电路 - Google Patents

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侯圣
魏钰金
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Abstract

本发明是基于基本电路元件和有源芯片组成的忆导值可调的门极可控三端口忆阻器模拟器，属于电子与信息产品。门极可控三端口忆阻器模拟器是将磁通控制型忆阻模拟器中的普通电阻用J310代替，其中J310的门极电压是由输入电压经过积分电路和加法电路获得的。利用J310的特性，通过控制端口C的输入电压，其经过积分电路和加法电路达到控制J310的门极电压，从而达到控制门极可控三端口忆阻器模拟器的忆导值的作用。本发明所述的电路不但可以用于展现三端口忆阻器的记忆特性，还可以展现忆导值的受控特性，这种三端口忆阻器可以应用于其他硬件电路的连接，代替普通电阻用于非易失性存储器、神经网络反馈系统、逻辑运算等新型电路和功能电路设计开发。

Description

一种忆导值可调的门极可控三端口忆阻器模拟电路
技术领域
本发明是基于模拟乘法器、跨导型运算放大器和运算放大器三种有源器件以及若干电阻电容电路元件组成的忆导值可调的门极可控三端口忆阻器模拟电路，属于电子与信息产品。
背景技术
1976年，Leon Chua和Sung Mo Kang提出具有记忆特性的二端口无源非线性动态忆阻系统，这种忆阻系统区分于动态非线性系统的最大特性是输入系统为零时输出系统也为零的过零特性。忆阻器的电阻值不是定值而是依赖于前一状态的变量，以随机存取存储忆阻器为例，通过采用相应的电压，可以使电阻在不同的阻值之间转换。根据忆阻器应用于记忆元件的潜在价值，忆阻器可以用于振荡器设备、逻辑和运算电路、可编程模拟电路和自然现象的建模与仿真。
近50年来，大量三端口非被动动态设备大量涌现，其记忆特性与二端口忆阻器相似，基于TiOx和Cu2-αS的门极三端忆阻器已经研制出，可以通过控制门极电压对它的忆阻值进行设计和擦除。此外，三端口忆阻器应用在神经网络模型中也成为热点，例如监督学习模式将错误反馈给突触神经网络，通过门极调节生物启发学习模式的电导值。
发明内容
发明目的：
本发明的目的主要有四个：一、忆导值可调的门极可控三端口忆阻器模拟电路无一端必须接地的限制，可以灵活的与其他电路连接；二、忆导值可调的门极可控三端口忆阻器模拟电路通过调节J310的门极电压可以完成对忆导值的控制，便于对忆阻特性、控制特性进行大量的研究，以便于验证对门极可控三端口忆阻器模拟电路的理论分析；三、发明的门极可控三端口忆阻器模拟器可以十分方便地拓展成多门极可控三端口忆阻器模拟器，以便于研究多个三端口忆阻器模拟器耦合的物理特性。四、发明的门极可控三端口忆阻器模拟器易于硬件电路实现，可以在一定条件下替代真实的三端口忆阻器模拟器完成物理实验测试，以便于利用门极可控三端口忆阻器模拟器的控制特性开发新的应用电路。
本发明的技术方案是这样实现的：
门极可控三端口忆阻器模拟电路是将一个磁通控制型忆阻模拟器中的一个普通电阻用J310代替，J310的门极电压是由输入电压经过积分电路和加法电路后获得的。
门极可控三端口忆阻器模拟电路由常见的有源芯片和基本电路元件(电阻和电容)组成，其包含8个有源器件：4个跨导运算放大器(AD844)、1个模拟乘法器(AD633)和3个运算放大器(TL084)。同时包含一个晶体管J310、12个电阻和2个电容，辅助有源器件完成运算工作。门极可控三端口忆阻器模拟电路有3个输入端口，其中A和B端对应三端口忆阻器的正负极，C端对应控制极。
根据跨导运算放大器AD844的运作性能，可以得到
其中，是vAB对时间t的积分，vu1和vu3分别是跨导运算放大器U1和U3的输出电压。运算放大器U5的输出电压可以由下式给出
根据AD633JN数据表，vu6可由下式得到
根据U2和U4的特性，通过A端和B端的电流iMR实际由vu6决定，所以
iMR＝vu6GJ (5)
其中，GJ是J310的受电压控制电导值。
为了获得J310的电压控制电导值GJ，通过分析运算放大器U7的特性获得J310的门极和源极之间的电压vgs。
由于vu7的初始值为0，所以vu7如下式所示
加法放大器U8的输出电压可由下式推出
所以vu8可以表示如下
由于U2的y脚接地，所以J310的源极电压vs为0，vgs可由下式推出
电导GJ在J310的截止门极源极电压vgs＝-2.7V时从0开始，以10mS/V的速度递增，GJ表示如下
由公式(5)和(11)，iMR表示如下
电压控制的忆导值W可以从(12)式推出
其中，的单位是mS。式(13)表明可以通过控制vAB和vC的电压来调节门极可控三端口忆阻器模拟电路的忆导值。实验观测其滞回曲线和忆导值曲线，并用于验证理论分析结果。发明的门极可控三端口忆阻器模拟电路可用于连接各种不同类型的电路作为控制器，揭示纳米级门极可控三端口忆阻器模拟电路中的忆阻特性与控制特性，便于灵活的应用。
附图说明
图1为门极可控三端口忆阻器模拟电路。
标注：U1、U2、U3、U4为跨导运算放大器(AD844)；U5、U7、U8为运算放大器(TL084)；U6为模拟乘法器(AD633)；R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12为线性电阻器；C1、C2为电容器；vs、vD为直流电压源。
具体实施方式
忆导值可调的门极可控三端口忆阻器模拟电路由用J310替代其中普通电阻的磁通控制型忆阻模拟器组成，其中J310的门极电压由C端的输入电压经过积分电路和加法电路获得，如图1所示。门极可控三端口忆阻器的输入端口“A～B”的端电压为vAB，忆容器的输入端口A的流入电流为iMR；三端口忆阻器的输入端口A与电流传输器AD844-U1的输入端口y相连，忆容器的输入端A与电流传输器AD844-U2的输出端口z相连，忆容器输入端口B与电流传输器AD844-U3的输入端口y相连，忆容器的输入端口B与电流传输器AD844-U4的输出端口z相连。电流传输器AD844-U1的输入端口x与电阻R1相连，电阻R1的另一端与电流传输器AD844-U3的输入端口x相连，有电流i1流过电阻R1；电流传输器AD844-U1的输出端口z与电阻R2相连，电阻R2的另一端接地；电流传输器AD844-U1的输出端口p与乘法器AD633-U6的输入端口x1相连，输出电压为vu1。乘法器输入端口x2和y2接地，运算放大器TL804-U5的输出端口与乘法器AD633-U6的输入端口y1相连，其输出电压为vu5,乘法器AD633-U6的输出端口w和z接有电阻R6，乘法器AD633-U6输出端口w与电流传输器AD844-U4的输入端口y相连，输出端口w的输出电压为vu6，乘法器AD633-U6的输出端口z与电阻R7相连，电阻R7的另一端接地。电流传输器AD844-U2的输入端口y接地，电流传输器AD844-U2的输入端口x与晶体管J310的s极相连，晶体管J310的d极与电流传输器AD844-U4的输入端x相连。电流传输器AD844-U3的输出端口z与电容C1相连，电容C1的另一端接地，电流传输器AD844-U3的输出端口p输出电压为vu3，输出端口p与电阻R3相连，电阻R3的另一端与运算放大器TL804-U5的反相输入端“-”相连。运算放大器TL804-U5的反相输入端“-”与电阻R4和电阻R5相连，电阻R4的另一端与直流电压源vs相连，直流电压源vs的另一端接地，电阻R5的另一端与运算放大器TL804-U5的输出端口相连，运算放大器TL804-U5的正相输入端“+”直接接地。门极可控三端口忆阻器的输入端口C端的输入电压为vC，C端经过电阻R8与积分器TL084-U7的反相输入端“-”连接，积分器TL084-U7的反相输入端“-”经过并联的电阻R9和电容C2连接到积分器TL084-U7的输出端口，TL084-U7的正向输入端连接到地，TL084-U7的输出电压为vu7；TL084-U7的输出端经过电阻R10连接到加法器TL084-U8的反相输入端“-”，加法器TL084-U8的反相输入端“-”与电阻R11和电阻R12连接，电阻R11的一端与直流电源vD连接，直流电源vD的另一端接地，电阻R11的另一端与加法器TL084-U8的输出端口连接，加法器TL084-U8的正向输入端“+”直接接地，加法器TL084-U8的输出电压为vu8，加法器TL084-U8的输出端与J310的门极g相连。表1给出了门极可控三端口忆阻器的实验参数。
表1门极可控三端口忆阻器试验参数
元件 参数
R1 100kΩ
R2 100kΩ
R3 100kΩ
R4 100kΩ
R5 10kΩ
R6 100kΩ
R7 91kΩ
R8 75kΩ
R9 1MΩ
R10 5kΩ
R11 200kΩ
R12 1kΩ
C1 100nF
C2 470nF
vs -15V
vD -15V
有益效果：
本发明在实际应用中可以使用4个跨导运算放大器(AD844)、3个运算放大器(TL084)、1个模拟乘法器(AD633)、12个电阻器、2个电容器和2个直流信号源构成一个忆导值可调的门极可控三端口忆阻器。通过调节控制端口C的输入电压可以有目的的控制其他两端口A和B之间的忆导值，从而实现忆导值的可调。本发明可以用于在硬件上模拟纳米级忆阻器元件的动态控制特性，分析忆导值可调对设计新型电路及功能电路的影响，利用忆导值可调开发新型电路。

Claims (7)

1.一种忆导值可调的门极可控三端口忆阻器模拟电路，包括一个用JFET晶体管J310替换普通电阻的磁通控制型忆阻模拟器，其中J310的门极电压是由C端输入电压经过积分电路和加法电路获得的。门极可控三端口忆阻模拟器由4个跨导运算放大器、1个模拟乘法器、3个运算放大器、12个电阻、1个电容、2个直流信号源和一个晶体管J310组成。其特征在于：磁通控制型忆阻模拟器是用J310替代其中的一个普通电阻；门极可控三端口忆阻器模拟电路可以通过调节其中一个端口的输入电压调节其他两端口之间的忆导值；J310的门极电压是由C端经过积分电路和加法电路获得的。J310的d极和s极分别接入磁通控制忆阻器模拟器的其中两个跨导运算放大器的“-”极。
2.根据权利要求1所述的门极可控三端口忆阻器模拟电路，其特征是：所述的门极可控三端口忆阻器模拟电路由4个跨导运算放大器AD844、一个模拟乘法器AD633、3个运算放大器TL084、12个电阻、1个电容和3个悬浮性接线端口组成；有源器件的供电电压为±15V。
3.根据权利要求1所述门极可控三端口忆阻模拟器，其特征是：所述的门极可控三端口忆阻模拟器具有三个悬浮型接口，第1和第3个跨导运算放大器(U1和U3)将两端口的电位转换成端口电压和磁链信号；第2和第4个跨导运算放大器(U2和U4)保证了流入端口A的电流等于流出端口B的电流，电流大小受第4个跨导运算放大器的y脚电压控制。
4.根据权利要求1所述的门极可控三端口忆阻模拟器，其特征是：门极可控三端口忆阻模拟器中的磁通控制型忆阻模拟器由运算放大器TL084(U5)与电阻器构成反相加法电路，将可调直流电压信号与磁链信号线性相加，加法器输出信号是直流电压和磁链两部分之和；直流电压信号为负值，以保证忆阻器等效忆导值的初值为正值。
5.根据权利要求1所述的门极可控三端口忆阻器模拟器，其特征是：所述的磁通控制型忆阻模拟器采用模拟乘法器将含初值的磁链信号与忆阻器端口电压相乘后连接至第4个跨导运算放大器的y脚，用于控制忆阻器电流。
6.根据权利要求1所述的门极可控三端口忆阻器模拟器，其特征是：所述的门极可控三端口忆阻器模拟器由JFET晶体管J310替换磁通控制型忆阻模拟器中的普通电阻，J310的电导值受门极和源极电压vgs控制，从而控制电流。
7.根据权利要求1所述的门极可控三端口忆阻器模拟器，其特征是：所述的门极可控三端口忆阻器模拟器由JFET晶体管J310的门极电压是由悬浮型接线端口C经过积分电路和加法电路获得的，从而可以通过改变悬浮型接线端口C的激励电压达到控制忆导值的作用。
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