CN108846215A - 一种极简的浮地荷控忆阻器电路仿真模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极简的浮地荷控忆阻器电路仿真模型，包括端口a、端口b、压控电阻UR、电阻R、电流控制电压源IU和电压积分器A，压控电阻UR包括电压控制端uc和受控电阻Ru，压控电阻UR内受控电阻Ru的电阻值受电压控制端uc的电压值控制，电流控制电压源IU包括电流控制端i和电压源输出端ui，电流控制电压源IU内电压源输出端ui的电压值受电流控制端i的电流值控制，电压积分器A包括电压输入端ui和电压输出端uc。该浮地荷控忆阻器电路仿真模型端口a、b的电气特性等效了忆阻器M的A、B端口特性，只需要使用仿真软件中已有的4个元件，为二端口模型，进一步的降低已有荷控忆阻器电路仿真模型的复杂度和元件数，且具有不要求一端接地、忆阻值变化范围灵活、工作电压范围宽的优点。

Description

一种极简的浮地荷控忆阻器电路仿真模型
技术领域
本发明专利涉及新型电路元件模型构造领域，具体涉及一种极简的浮地荷控忆阻器电路仿真模型。
背景技术
忆阻器(memristor)是一种描述磁通和电荷关系的基本电路元件，是公认的继电阻、电容和电感之后的第4种基本电路元件，是一种具有记忆功能的非线性电阻。2008年，惠普(HP)实验室首次成功地对忆阻器进行物理实现，掀起世界范围内对忆阻器研究的热潮。忆阻器被证实在计算机科学、神经网络、生物工程、通信工程和非线性电路等领域有着广泛的应用前景。由于HP忆阻器受限于纳米工艺和严格的实验条件，目前尚不能走出实验室，忆阻器的电路等效模型和电路仿真模型成为忆阻器的研究热点之一。忆阻器可分为荷控忆阻器和磁控忆阻器。荷控忆阻器可以记忆流经它的电荷数量，电荷数控制其忆阻值；磁控忆阻器可以记忆磁通量，由磁通量控制其忆阻值。
在Multisim等电路仿真软件里使用忆阻器元件搭建应用电路，测试分析忆阻电路的特性，对促进忆阻器的应用具有重要意义。但电路仿真软件元件库还没有能直接使用的忆阻器。目前主要通过在电路仿真软件里通过编写spice代码或用已有的电阻、电容、电感、运算放大器和模拟乘法器等构造忆阻器电路仿真模型。忆阻器电路仿真模型主要有边界迁移模型、突触活动依赖可塑性模型、Pershin模型、Biolek模型、二次非线性有源磁控模型和三次非线性磁控模型等。这些电路仿真模型主要不足之处为：在需要一端接地；或不是二端口模型；或二端口电压不能超过模型内有源器件供电电压；或需要的元器件多构造复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种极其简洁的浮地荷控忆阻器电路仿真模型，解决现有荷控忆阻器电路仿真模型需要一端接地、不是二端口模型、二端口电压不能超过模型内有源器件供电电压、需要的元器件多构造复杂的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种极简的浮地荷控忆阻器电路仿真模型，包括端口a、端口b、压控电阻UR、电阻R、电流控制电压源IU和电压积分器A，所述压控电阻UR包括电压控制端uc和受控电阻Ru，所述压控电阻UR内受控电阻Ru的电阻值受电压控制端uc的电压值控制，所述电流控制电压源IU包括电流控制端i和电压源输出端ui，所述电流控制电压源IU内电压源输出端ui的电压值受电流控制端i的电流值控制，所述电压积分器A包括电压输入端ui和电压输出端uc，所述端口a、压控电阻UR内受控电阻Ru、电阻R、电流控制电压源IU内电流控制端以及端口b为串联关系，所述电流控制电压源IU的电压源输出端与电压积分器的电压输入端相连，所述电压积分器电压输出端与压控电阻的电压控制端相连；从时刻t0至tn，所述电压积分器A内电压输出端的电压值Ki为电压积分器A的比例系数。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述压控电阻UR内受控电阻Ru的电阻值Ru＝Kr×uc，Kr为压控电阻UR的控制系数。
进一步，所述电流控制电压源IU内电压输出端的输出电压ui＝Kj×i，Kj为电流控制电压源IU的控制系数。
本发明的有益效果是：在本发明中，该浮地荷控忆阻器电路仿真模型端口a、b的电气特性等效了忆阻器M的A、B端口特性，只需要使用仿真软件中已有的4个元件(component)，为二端口模型，进一步的降低已有荷控忆阻器电路仿真模型的复杂度和元件数，且具有不要求一端接地、忆阻值变化范围灵活、工作电压范围宽的优点。
附图说明
图1为本发明的原理图
图2为本发明实施例中电荷量q与磁通量的关系曲线图
图3为本发明实施例中电荷量q与忆阻值M(q)的关系曲线图
图4为本发明实施例中不同频率正弦电流源i(t)电流值和对应端口电压u(t)的伏安关系理论曲线图
图5为本发明实施例中频率为5Hz的正弦电流源i(t)电流值和二端电压u(t)的伏安关系仿真曲线图
图6为本发明实施例中频率为50Hz的正弦电流源i(t)电流值和二端电压u(t)的伏安关系仿真曲线图
图7为本发明实施例中频率为500Hz的正弦电流源i(t)电流值和二端电压u(t)的伏安关系仿真曲线图
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种极简的浮地荷控忆阻器电路仿真模型，包括端口a、端口b、压控电阻UR、电阻R、电流控制电压源IU和电压积分器A，压控电阻UR包括电压控制端uc和受控电阻Ru，压控电阻UR内受控电阻Ru的电阻值受电压控制端uc的电压值控制，电流控制电压源IU包括电流控制端i和电压源输出端ui，电流控制电压源IU内电压源输出端ui的电压值受电流控制端i的电流值控制，电压积分器A包括电压输入端ui和电压输出端uc，端口a、压控电阻UR内受控电阻Ru、电阻R、电流控制电压源IU内电流控制端以及端口b为串联关系，电流控制电压源IU的电压源输出端与电压积分器的电压输入端相连，电压积分器电压输出端与压控电阻的电压控制端相连；从时刻t0至tn，电压积分器A内电压输出端的电压值Ki为电压积分器A的比例系数。
在本发明实施例中，压控电阻UR内受控电阻Ru的电阻值Ru＝Kr×uc，Kr为压控电阻UR的控制系数。
在本发明实施例中，电流控制电压源IU内电压输出端的输出电压ui＝Kj×i，Kj为电流控制电压源IU的控制系数。
本发明的工作原理为：
若荷控忆阻器电路仿真模型的a、b两端电压u与流过电流i采用关联参考方向，则描述其特性的伏安关系为u＝M(q)×i，M(q)为荷控忆阻器电路仿真模型的忆阻值，忆阻值M(q)＝Ru(q)+R，q为从时刻t0至tn流过荷控忆阻器电路仿真模型电流i的电荷量，且i＝dq/dt，t表示时间，Ru(q)＝Kr×Kj×Ki×q。
荷控忆阻器电路仿真模型的数学关系可表示为：u＝M(q)×i，M(q)＝R+Kr×Kj×Ki×q，i＝dq/dt。忆阻值M(q)依赖于流经的电荷量q，具有电荷记忆功能。电荷量q与磁通量之间的非线性关系为荷控忆阻器电路仿真模型在平面的关系曲线如图2所示，电荷量q与忆阻值M(q)的关系曲线如图3所示。
将荷控忆阻器电路仿真模型a、b二端连接正弦电流源i(t)作为激励信号，且i(t)＝Im×sin(2πft)，Im为电流源的电流峰值，f为正弦电流源的频率，角频率ω＝2πf。在t0时刻，荷控忆阻器电路仿真模型的状态变量电荷q(t)为0时，从t0时刻至tn时刻状态变量荷控忆阻器电路仿真模型的忆阻值随时间发生变化，且M(t)＝R+Kr×Kj×Ki×Im/ω×(1-cos(ωt))，可得到荷控忆阻器电路仿真模型二端的电压u(t)＝M(t)×i(t)＝[R+Kr×Kj×Ki×Im/ω×(1-cos(ωt))]×Im×sin(2πft)。
设定荷控忆阻器电路仿真模型中的电阻R＝20Ω、压控电阻控制系数Kr＝100Ω/V、电流控制电压源控制系数Kj＝1000Ω和电压积分器比例系数Ki＝1。取激励正弦电流源i(t)的峰值Im＝10mA，且t＝0时状态变量电荷q(t)为0。得到正弦电流源i(t)频率f分别为5Hz、50Hz和500Hz时荷控忆阻器电路仿真模型的激励正弦电流源i(t)电流值和对应二端电压u(t)的伏安关系理论曲线如图4所示。正弦电流源i(t)频率f为5Hz时的Multisim仿真结果如图5所示，正弦电流源i(t)频率f为50Hz时的Multisim仿真结果如图6，正弦电流源i(t)频率f为500Hz时的Multisim仿真结果如图7所示，Multisim仿真结果与如图4所示的理论曲线一致。
荷控忆阻器电路仿真模型a和b端口的理论伏安关系曲线和仿真结果均符合忆阻器M的三个本质特征：1.正弦电流源i(t)激励下荷控忆阻器电路仿真模型的伏安特性曲线为捏滞回线；2.捏滞回线波瓣面积随正弦电流源频率f增大减小；3.正弦电流源频率f趋于无穷大时捏滞回线收缩为一条直线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种极简的浮地荷控忆阻器电路仿真模型，其特征在于，包括端口a、端口b、压控电阻UR、电阻R、电流控制电压源IU和电压积分器A，所述压控电阻UR包括电压控制端uc和受控电阻Ru，所述压控电阻UR内受控电阻Ru的电阻值受电压控制端uc的电压值控制，所述电流控制电压源IU包括电流控制端i和电压源输出端ui，所述电流控制电压源IU内电压源输出端ui的电压值受电流控制端i的电流值控制，所述电压积分器A包括电压输入端ui和电压输出端uc，所述端口a、压控电阻UR内受控电阻Ru、电阻R、电流控制电压源IU内电流控制端以及端口b为串联关系，所述电流控制电压源IU的电压源输出端与电压积分器的电压输入端相连，所述电压积分器电压输出端与压控电阻的电压控制端相连；从时刻t0至tn，所述电压积分器A内电压输出端的电压值Ki为电压积分器A的比例系数。
2.根据权利要求1所述的压控电阻UR，其特征在于，所述压控电阻UR内受控电阻Ru的电阻值Ru＝Kr×uc，Kr为压控电阻UR的控制系数。
3.根据权利要求1所述的电流控制电压源IU，其特征在于，所述电流控制电压源IU内电压输出端的输出电压ui＝Kj×i，Kj为电流控制电压源IU的控制系数。
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