CN108416102A - 一种忆感器的等效模拟电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种忆感器的等效模拟电路。本发明包括集成运算放大器U1、U4、乘法器U2和乘法器U3，集成运算放大器U1的8引脚和乘法器U3的7引脚分别作为输入端和输出端，即忆感器的磁通和电流的测试端；集成运算放大器U1用于积分运算、求和运算、加法运算、反相运算；集成运算放大器U1与乘法器U2、乘法器U3相连，乘法器U2、U3实现信号的相乘，集成运算放大器U3实现加法运算以及和二极管实现指数运算。本发明提出了一种实现忆感器特性模拟电路，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

一种忆感器的等效模拟电路

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，具体涉及一种实现符合忆感器磁通量与电流的关系的等效模拟电路。

背景技术

2008年HP实验室第一次实现了忆阻器，一年后又进一步扩展了记忆元器件的范围，提出了两种新型的记忆元器件的概念，分别为忆容器和忆感器。这三种纳米尺度的记忆元件，无需外部电源即可实现信息存储、人工神经网络等功能。

到目前为止，忆阻器得到大量的研究和应用，但是，对忆感器的研究尚处于理论阶段，实际物理器件尚未实现，许多新的特性没有被发现。一方面，忆感器所具有的记忆数学模型不够完备，使得对于忆感器的基本电路分析及其应用受到限制，另一方面，在忆感器尚未实现情况下，可用其等效电路模型来研究其特性，但目前忆感器的电路模型还不完善，不能真实反映其实际特性。因此，本发明提出了一种新型的忆感器数学模型，基于该模型设计了其等效电路，该等效电路可替代尚未实现的忆感器，从而更好地研究忆感器的基本电路特性和应用电路设计。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提出了一种忆感器数学模型及实现忆感器特性的模拟电路，用以模拟忆感器的磁通量电流特性，替代实际忆感器进行理论、实验和应用等方面的研究。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

设计了一种反映忆感器电流i(t)与磁通非线性关系的精确数学模型其中k、a、b为系数，为实现上述数学模型所设计的模拟电路为：

输入电压U通过一个电阻R₁与集成运算放大器U1的2引脚连接，电阻R₂通过和电容C₁并联，两端分别接到集成运算放大器U1的2引脚和1引脚。集成运算放大器U1的3引脚接地，集成运算放大器U1的4引脚接电源V_CC。集成运算放大器U1的引脚1通过电阻R₄连接到集成运算放大器U1的5引脚、电阻R₃和电容C₂并联的一端，电阻R₃和电容C₂并联的另一端连接到集成运算放大器U1的7引脚。集成运算放大器U1的1引脚连接到集成运算放大器U1的9引脚，集成运算放大器U1的9引脚通过电阻R₆连接到集成运算放大器U1的8引脚，集成运算放大器U1的8引脚连接电阻R₅；外加电压U₀通过R₈、R₉连接到U1的14引脚；其中集成运算放大器U1的引脚1、2、3与电阻R₁、电阻R₂和电容C₁构成积分运算电路，实现将电压U积分后转换为磁通；集成运算放大器U1的5、6、7引脚对应的运算放大器，与电阻R₃、R₄组成积分运算放大器，将磁通进行积分运算，得到磁通量的积分量；集成运算放大器U1的8、9、10引脚与电阻R₅、R₆组成反相器，将磁通量进行取反，得到正的磁通量；集成运算放大器U1的12、13、14引脚与电阻R₇、R₈、R₉组成加法器，得到指数项的指数。

乘法器U2的1、3引脚连接到集成运算放大器U1的7引脚，其余的引脚2、4、6引脚接地，8引脚接电源V_CC，5引脚接电源V_EE。乘法器U2的7引脚通过电阻R₇连接到集成运算放大器U1的13引脚，其中乘法器U2的1、3、7引脚实现乘法运算，将磁通量的积分和磁通量积分相乘。

乘法器U3的1引脚连接电阻R5的一端，乘法器U3的3引脚通过电阻R12连接到集成运算放大器U4的14引脚。乘法器U3的2、4、6引脚接地，乘法器U3的8引脚接电源V_CC，乘法器U3的5引脚接电源V_EE。其中乘法器U3的1、3、7引脚实现乘法运算，将指数项和磁通量相乘。

集成运算放大器U1的14引脚通过二极管MBR1045连接到集成运算放大器U4的13引脚，外界电压-1V通过电阻R₁₅、R₁₄连接到U4的8引脚，其中集成运算放大器U4的12、13、14引脚与二极管MBR1045和电阻R₁₂组成指数电路；集成运算放大器U4的8、9、10引脚与电阻R₁₃、R₁₄、R₁₅组成加法电路。

所述的集成运算放大器U1、U4采用LF347N；乘法器U2和乘法器U3采用AD633。

本发明新设计了一种新型的忆感器模拟电路，可以用来模拟忆感器的基本的磁通电流特性。可以用来替代实际的忆感器研究，电路设计以及忆感器的应用等方面。所使用的元器件只有2片集成运算放大器芯片、2个乘法器，电路结构设计简单，集成运算放大器的主要功能是积分运算和反向运算和指数运算以及加法运算，而乘法器的功能是乘法运算。

附图说明

图1是本发明的忆感器等效电路框图。

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忆感器的电流i(t)与磁通的一般数学表达式：

其中a、b为系数，

基于该忆感器数学模型，采用集成运算电路实现了其等效电路。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，用于积分运算、反向运算和加法运算；乘法器U2、U3，用于乘法运算；集成运算放大器U4，用于积分运算和加法运算。集成运算放大器U1、U4采用芯片LF347N，乘法器U2和U3分别使用AD633。

集成运算放大器内置4个运算放大器，其中引脚1、2、3外接电阻和电容构成积分运算电路，从而实现将电压U积分后转换为磁通。电压U通过电阻R₁连接到集成运算放大器U1的2引脚，U1的1引脚通过电容C₁和R₂的并联连接到U1的2引脚，构成了积分运算电路。从而磁通为：

集成运算放大器U1的5、6、7引脚对应的运算放大器，与外围电阻R₃、R₄组成了积分运算放大器，将磁通进行积分运算，得到磁通量的积分量，U1的7引脚磁通量的积分为：

集成运算放大器U1的8、9、10引脚与外围电阻R₅、R₆组成反相器，将磁通量进行取反，得到正的磁通量，U1的14引脚正磁通量为：

乘法器U2的1、3、7引脚实现乘法运算，将磁通量积分和磁通量积分相乘，乘法器U2的7引脚为：

集成运算放大器U1的12、13、14引脚与外围电阻R₇、R₈、R₉组成加法器，得到指数项的指数，集成运算放大器U1的14引脚为：

集成运算放大器U4的12、13、14引脚与二极管MBR1045和电阻R₁₂组成指数电路，集成运算放大器U4的14引脚为：

集成运算放大器U4的8、9、10引脚与外围电阻R₁₃、R₁₄、R₁₅组成加法电路，集成运算放大器U4的8引脚为：

乘法器U3的1、3、7引脚实现乘法运算，将指数项和磁通量相乘，乘法器U3的7引脚为：

忆感器模拟等效电路的伏库特性，与忆感器数学模型比较可知：

集成运算放大器U1使用LF347N；输入电压U通过一个电阻R₁与集成运算放大器U1的2引脚连接，电阻R₂和电容C₁并联，两端分别接到放大器的2引脚和1引脚。3引脚接地，4引脚接电源V_CC。引脚1通过电阻R4连接到5引脚和电阻R₃与电容C₂并联一端，阻R₃与电容C₂并联另一端连接到7引脚。1引脚连接到9引脚，9引脚通过电阻R₆连接到8引脚。集成运算放大器U1的10、12引脚接地，11引脚接电源V_EE。

乘法器U2选择AD633；乘法器U2的1、3引脚连接到集成运算放大器U1的7引脚，其余的引脚2、4、6引脚接地，8引脚接电源V_CC，5引脚接电源V_EE。

乘法器U3采用AD633。乘法器U1的8引脚通过电阻R5连接到乘法器U3的1引脚，U4的14引脚通过电阻R12连接到乘法器U3的3引脚。乘法器U3的2、4、6引脚接地，U3的8引脚接电源VCC，U3的5引脚接电源VEE。集成运算放大器U4采用LF347F。集成运算放大器U1的14引脚通过电阻R9和二极管MBR1045连接到集成运算放大器U4的13引脚，U4的14引脚通过电阻R12、R13连接到U4的9引脚，外加电压-1V通过电阻R15、R14连接到U4的8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)

1.一种忆感器的等效模拟电路，其特征在于：该电路基于下述数学模型而设计：

其中i(t)表示忆感器电流，表示忆感器磁通，k、a、b为系数，

电路的具体结构是：

输入电压U通过一个电阻R₁与集成运算放大器U1的2引脚连接，电阻R₂通过和电容C₁并联，两端分别接到集成运算放大器U1的2引脚和1引脚；集成运算放大器U1的3引脚接地，集成运算放大器U1的4引脚接电源V_CC；集成运算放大器U1的引脚1通过电阻R₄连接到集成运算放大器U1的5引脚、电阻R₃和电容C₂并联的一端，电阻R₃和电容C₂并联的另一端连接到集成运算放大器U1的7引脚；集成运算放大器U1的1引脚连接到集成运算放大器U1的9引脚，集成运算放大器U1的9引脚通过电阻R₆连接到集成运算放大器U1的8引脚，集成运算放大器U1的8引脚连接电阻R₅；外加电压U₀通过R₈、R₉连接到集成运算放大器U1的14引脚；其中集成运算放大器U1的引脚1、2、3与电阻R₁、电阻R₂和电容C₁构成积分运算电路，实现将电压U积分后转换为磁通；集成运算放大器U1的5、6、7引脚对应的运算放大器，与电阻R₃、R₄组成积分运算放大器，将磁通进行积分运算，得到磁通量的积分量；集成运算放大器U1的8、9、10引脚与电阻R₅、R₆组成反相器，将磁通量进行取反，得到正的磁通量；集成运算放大器U1的12、13、14引脚与电阻R₇、R₈、R₉组成加法器，得到指数项的指数；

乘法器U2的1、3引脚连接到集成运算放大器U1的7引脚，其余的引脚2、4、6引脚接地，8引脚接电源V_CC，5引脚接电源V_EE；乘法器U2的7引脚通过电阻R₇连接到集成运算放大器U1的13引脚，其中乘法器U2的1、3、7引脚实现乘法运算，将磁通量积分和磁通量积分相乘；

乘法器U3的1引脚连接电阻R5的一端，乘法器U3的3引脚通过电阻R12连接到集成运算放大器U4的14引脚；乘法器U3的2、4、6引脚接地，乘法器U3的8引脚接电源V_CC，乘法器U3的5引脚接电源V_EE；其中乘法器U3的1、3、7引脚实现乘法运算，将指数项和磁通量相乘；

集成运算放大器U1的14引脚通过二极管MBR1045连接到集成运算放大器U4的13引脚，外界电压-1V通过电阻R₁₅、R₁₄连接到U4的8引脚，其中集成运算放大器U4的12、13、14引脚与二极管MBR1045、电阻R₁₂组成指数电路；集成运算放大器U4的8、9、10引脚与电阻R₁₃、R₁₄、R₁₅组成加法电路；

所述的集成运算放大器U1、U4采用LF347N；乘法器U2和乘法器U3采用AD633。