CN109299572B - 荷控忆阶元 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种荷控忆阶元，包括引脚a、引脚b、压控变阶分抗U_F、电流控制电压源I_U和电压积分器A。压控变阶分抗U_F包括电压控制端u_c和变阶分抗

压控变阶分抗U_F内变阶分抗

的运算阶受电压控制端u_c的电压值控制，电流控制电压源I_U包括电流控制端i和电压源输出端u_i，电流控制电压源I_U内电压源输出端u_i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u_i和电压输出端u_c。该荷控忆阶元具有电荷记忆功能，电荷改变了元件的运算阶，可作为新电路元件广泛的应用于电路与系统的设计中，其震荡性质和倍频性质是忆阶元特有。

Description

荷控忆阶元

技术领域

本发明专利涉及电路元件基础理论，具体涉及荷控忆阶元。

背景技术

电子元件是构成电路与系统的最基本单元。1745年荷兰莱顿大学P.穆森布罗克发明的莱顿瓶是最原始的电容(capacitor)，1826年德国欧姆发现欧姆定律提出电阻(resistor)的概念，1831年英国法拉第制成铁芯线圈制作出电感(inductor)。电阻、电容和电感是全世界公认的三种基本无源电路元件，已在电路与系统中得到最广泛的应用。

分数阶微积分(fractional calculus)是运算阶次为非整数的一种微积分，已成为数学分析的一个重要分支。由于分数阶微积分的长时记忆性、非定域性和弱奇异性，近年来，已成为科学和工程技术领域中使用的一种新数学手段。分数阶微积分在物理、化学、生物、控制、信号处理、图像处理、神经网络、电路与系统等领域得到了有效的应用，并已取得许多有益的结果。依据分数阶微积分理论，电容的运算阶为-1，电阻的运算阶为0，电感的运算阶为+1。运算特性介于电阻和电容之间的元件为容性分抗元(capacitive fractor)，运算特性介于电阻和电感之间的元件称为感性分抗元(inductive fractor)，分抗元(fractor)的分抗量简称为分抗(fractance)。

电流、电压、电荷和磁通是电路理论的四个基本变量，它们之间共有六种关系：1.电流和电荷的关系由电流定义式建立；2.电压和磁通的关系由法拉第电磁感应定律建立；3.电压和电流之间的关系由电阻建立；4.电压和电荷的关系由电容建立；5.电流和电荷的关系由电感建立。电荷和磁通的关系由什么元件或定律来建立？很长时间以来，一直没有引起人们的关注和重视。

根据电路基本变量组合完备性原理，1971年美籍华裔科学家蔡少棠先生从理论预测出忆阻(memristor)的存在，蔡先生认为忆阻是建立电荷和磁通关系的电路元件，从而称忆阻为第四种基本电路元件，并得到学界的广泛认可。蔡先生还依据电路变量与电路元件的公理完备性(axiomatic completeness)、逻辑相容性(logical consistency)和形式对称性(formal symmetry)等，提出公理化的电路元件体系——蔡氏公理化元件系(Chua’saxiomatic element system)，进而得电路元件的到蔡氏周期表(Chua’s periodictable)。

2008年，《Nature》报道了美国科学家Williams领导的团队在纳米尺度下制造出的忆阻物理实体，震惊国际电工电子领域，掀起忆阻的研究热潮。忆阻在计算机科学、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。同年，忆容(memcapacitor)和忆感(meminductor)也被提出，并得到人们的关注和研究。在记忆元件(memory elements)中，忆阻量、忆容量或忆感量随电荷或磁通而变化。忆阻(memristor)的忆阻量(memristance)记忆电荷量或磁通量、忆容(memcapacitor)的忆容量(memcapacitance)记忆电荷量或磁通量、忆感(meminductor)的忆感量(meminductance)记忆电荷量或磁通量。然而，忆阻器作为第四种基本电路元件的物理身份仍存在质疑。2008年，Mathur撰文在《Nature》指出，实际的忆阻是从伏安关系获得的，线性磁电耦合效应的材料可以建立电荷和磁通的关系，满足第四种基本电路元件的定义。2015年，中国科学院物理研究所孙阳、尚大山、柴一晟等依据磁电耦合效应物理实现满足原始磁通和电荷关系的电耦元(transtor)及相应的非线性记忆元件——忆耦元(memtranstor)，他们认为电偶元才是真正的第四种基本电路元件。电耦元(transtor)和忆耦元(memtranstor)在开发新一代信息功能器件方面具有巨大的潜力。关于第四种基本元件的确定，学界虽然广泛认可忆阻，但还是存在质疑，但不影响忆阻和电偶有关理论与应用研究。

受蔡氏周期表启发，依据分数阶微积分理论，分数阶忆阻(fractional-ordermemristor)的概念应运而生，并发展出两种类型：第一种分数阶忆阻(fractionalmemristor)的单位和电阻一致，忆阻量(memristance)记忆电压或电流的分数阶积分量；第二种分数阶忆阻的单位和分抗元一致，可称为忆分抗(memory fractor)，忆分抗的忆分抗量(memory fractance)记忆电荷量或磁通量。我们认为还应存在第三种分数阶忆阻，其单位和分抗元一致，忆分抗量记忆电压或电流的分数阶积分值。四川大学蒲亦非教授等人在2016年提出一种分忆抗的概念，并创造新单词“fracmemristor”作为英文名，还于2017年尝试用标度分形格结构方式实现，蒲亦非教授等人提出的分忆抗属于上述第二种。

至此，记忆元件的(忆)电阻量、(忆)电容量、(忆)电感量或(忆)分抗量作为记忆变量，受到电荷量、磁通量、电流分数阶积分量或电压分数阶积分量的控制，进而得到的忆阻、忆容、忆感、忆分抗和分数阶忆阻均得到人们的研究，并取得丰富的理论和实验成果。然后，从分数阶微积分理论视角，记忆元件的运算阶为记忆变量时，受电荷量、磁通量、电流分数阶积分量或电压分数阶积分量的控制，得到的忆阶元(memory-order element)将会呈现出什么理论与实践意义？这是值得深入研究和挖掘的问题，也将启发人们从全新角度研究和丰富蔡氏周期表。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供荷控忆阶元(charge-controlled memory-order element)，作为一种新元件，解决现有电路元件无法实现电荷控制运算阶的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种荷控忆阶元，包括引脚a、引脚b、压控变阶分抗U_F、电流控制电压源I_U和电压积分器A，所述压控变阶分抗U_F包括电压控制端u_c和变阶分抗

所述压控变阶分抗U_F内变阶分抗

的运算阶受电压控制端u_c的电压值控制，所述压控变阶分抗内电压控制端u_c的输入阻抗为无穷大，所述电流控制电压源I_U包括电流控制端i和电压源输出端u_i，所述电流控制电压源的电流控制端i的输入阻抗为零，所述电流控制电压源的电压源输出端u_i的输出阻抗为零，所述电流控制电压源I_U内电压源输出端u_i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u_i和电压输出端u_c，所述电压积分器的输入端u_i的输入阻抗为无穷大，所述电压积分器的电压输出端u_c的输出阻抗为零，所述引脚a、压控变阶分抗U_F内变阶分抗

电流控制电压源I_U内电流控制端以及引脚b为串联关系，所述电流控制电压源I_U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变阶分抗的电压控制端相连；所述变阶分抗

的阻抗函数

变阶分抗的运算阶μ与电压控制端u_c的电压值有关，F^(μ)称为变阶分抗的特征量，s是拉普拉斯变量；所述电流控制电压源I_U内电压输出端的输出电压u_i＝K_j×i，K_j为电流控制电压源I_U的控制系数；从时刻t₀至t_n，所述电压积分器A内电压输出端的电压值

K_i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，所述压控变阶分抗U_F内变阶分抗

的运算阶μ(u_c)＝ku_c，k为压控变阶分抗U_F的控制系数。

本发明的有益效果是：在本发明中，荷控忆阶元具有电荷记忆功能，电荷改变了元件的运算阶，可作为新电路元件广泛的应用于电路与系统的设计中，其震荡性质和倍频性质是忆阶元特有。

附图说明

图1为本发明的原理图

图2为本发明元件名称与其它二端电路元件名称一览图

图3为本发明实施例中荷控忆阶元k＝1时的恒流充电曲线图

图4为本发明实施例中荷控忆阶元k＝1时的记忆阶曲线图

图5为本发明实施例中荷控忆阶元k＝-1时的恒流充电曲线图

图6为本发明实施例中荷控忆阶元k＝-1时的记忆阶曲线图

图7为本发明实施例中荷控忆阶元k＝20时的恒流充电曲线图

图8为本发明实施例中荷控忆阶元k＝20时的记忆阶曲线图

图9为本发明实施例中荷控忆阶元k＝60时的恒流充电曲线图

图10为本发明实施例中荷控忆阶元k＝60时的记忆阶曲线图

图11为本发明实施例中荷控忆阶元k＝1时的电压电流曲线图

图12为本发明实施例中荷控忆阶元k＝1时的伏安特性曲线图

图13为本发明实施例中荷控忆阶元k＝1时的记忆阶曲线图

图14为本发明实施例中荷控忆阶元k＝-1时的电压电流曲线图

图15为本发明实施例中荷控忆阶元k＝-1时的伏安特性曲线图

图16为本发明实施例中荷控忆阶元k＝-1时的记忆阶曲线图

图17为本发明实施例中荷控忆阶元k＝10时的电压电流曲线图

图18为本发明实施例中荷控忆阶元k＝10时的伏安特性曲线图

图19为本发明实施例中荷控忆阶元k＝10时的记忆阶曲线图

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，一种荷控忆阶元，包括引脚a、引脚b、压控变阶分抗U_F、电流控制电压源I_U和电压积分器A，压控变阶分抗U_F包括电压控制端u_c和变阶分抗

压控变阶分抗U_F内变阶分抗

的运算阶受电压控制端u_c的电压值控制，压控变阶分抗内电压控制端u_c的输入阻抗为无穷大，电流控制电压源I_U包括电流控制端i和电压源输出端u_i，电流控制电压源I_U内电压源输出端u_i的电压值受电流控制端i的电流值控制，电流控制电压源内电流控制端i的输入阻抗为零，电流控制电压源内电压源输出端u_i的输出阻抗为零，电压积分器A包括电压输入端u_i和电压输出端u_c，电压积分器的输入端u_i的输入阻抗为无穷大，电压积分器的电压输出端u_c的输出阻抗为零，引脚a、压控变阶分抗U_F内变阶分抗

电流控制电压源I_U内电流控制端以及引脚b为串联关系，电流控制电压源I_U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变阶分抗的电压控制端相连；变阶分抗

的阻抗函数

变阶分抗的运算阶μ与电压控制端u_c的电压值有关，F^(μ)称为变阶分抗的特征量，s是拉普拉斯变量；电流控制电压源I_U内电压输出端的输出电压u_i＝K_j×i，K_j为电流控制电压源I_U的控制系数；从时刻t₀至t_n，所述电压积分器A内电压输出端的电压值

K_i为电压积分器A的比例系数。

在本发明实施例中，压控变阶分抗U_F内变阶分抗

的运算阶μ(u_c)＝ku_c，k为压控变阶分抗U_F的控制系数。

本发明的工作原理为：

常见的分数阶微积分定义有黎曼-刘维尔(Riemann-Liouville)定义、卡普图(Caputo)定义和格林瓦尔-莱特尼科夫(Grünwald-Letikov)定义等。从时刻0到时刻t，

称为函数f(t)的-μ阶黎曼-刘维尔分数阶积分，其中

为积分运算符号，

为伽玛函数，时刻0为分数阶积分的下限，时刻t为分数阶积分的上限。当函数f(t)及其各阶导数的初值均为0，若f(t)＝sin(ω₀t)，则有

若f(t)＝cos(ω₀t)，则有

ω₀为信号角频率。若函数f(t)及其各阶导数的初值均为0，则其分数阶微积分的拉普拉斯变换为

s是拉普拉斯变量，亦称运算变量。

图1所示荷控忆阶元引脚a、引脚b间的阻抗(荷控忆阶元的阻抗)为压控变阶分抗U_F内变阶分抗

的阻抗与电流控制电压源内电流控制端i的输入阻抗之和。由于电流控制端i的输入阻抗为零，因此，荷控忆阶元的阻抗Z(s)与变阶分抗

的阻抗

相等，即

若荷控忆阶元引脚a、引脚b间电压u(t)与电流i(t)采用关联参考方向，由分数阶微积分的拉普拉斯变换性质可得到描述其特性的伏安关系为

图2所示为荷控忆阶元与其它二端记忆元件的一览图。

变阶分抗

的运算阶μ(u_c)＝ku_c，电压积分器A内电压输出端的电压值

因此

电流控制电压源I_U内电压输出端的输出电压u_i＝K_j×i，由此可知运算阶

即μ(q)＝kK_iK_jq，电荷q为电流i的积分量。

由运算阶μ(q)＝kK_iK_jq可知，荷控忆阶元的运算阶μ受到电引脚a、引脚b间流过的电荷q的控制。荷控忆阶元的伏安关系可进一步表示为：

i＝dq/dt。

由荷控忆阶元的伏安关系和分数阶微积分的拉普拉斯变换性质可知，本发明公开的荷控忆阶元阻抗函数

F＝F^(μ)，μ_M(q)＝kK_iK_jq，u(s)为端口电压，i(s)为端口电流，F为忆阶元特征值，q为电荷量，忆阶元运算阶μ_M受到电荷量q的控制，运算阶记忆了电荷量，因此也可称μ_M为记忆阶。进一步数学描述荷控忆阶元伏安关系为：

从系统性质可知，荷控忆阶元具有记忆性、可逆性、因果性、稳定性、时变性、非线性等性质，这些性质可将荷控忆阶元的电流i(t)作为输入、电压u(t)作为输出分析得到。

记忆性：荷控忆阶元的电压u(t)不仅与电流值i(t)有关，还与电荷量q有关；电荷量q是电流i(t)的积分，因此，电压u(t)不仅取决于当前时刻的电流值，还与过去的电流值有关，荷控忆阶元具有记忆性。这种记忆可以是易失的也可为非易失的。

可逆性：如果一个系统在不同的输入下，导致不同的输出，就称该系统是可逆的。由荷控忆阶元伏安关系可知，不同电流值i(t)会导致不同的电压u(t)，因此荷控忆阶元具有可逆性，有望用于保密通信。

因果性：荷控忆阶元任何一个时刻的电压u(t)只取决于现在的输入电流i(t)与过去的输入电流，具有因果性。

稳定性：荷控忆阶元任何一个时刻的输入电流i(t)为有限电流值时，由其伏安关系可知，电压u(t)也是有界的，不会发散，具有稳定性。

时变性：荷控忆阶元任何一个时刻的输入电流i(t)时，电压

如果输入电流有一个时移t_x，即i(t-t_x)，则电压不为u(t-t_x)，符合时变性。

非线性：荷控忆阶元任何一个时刻的输入电流为xi(t)时(x为给定的常数)，电压

不满足系统的齐次性，为非线性元件。

通过输入荷控忆阶元为恒定电流值和正弦交流电流信号时的时域波形，可呈现出荷控忆阶元的应用价值及其特有的性质。

若输入荷控忆阶元两端的电流i₁(t)＝aH(t)(H(t)为单位阶跃函数，a为电流值)，则内部状态电荷变量q₁(t)＝aH(t)t，记忆阶

依据黎曼-刘维尔分数阶积分得到荷控忆阶元的二端电压

若电流源i₁(t)＝0.1H(t)A(t>0)，荷控忆阶元的特征值F＝1，K_i＝1，K_j＝1。当k＝1时，荷控忆阶元的恒流充电曲线图如图3所示，记忆阶曲线如图4所示；当k＝-1时，荷控忆阶元的恒流充电曲线图如图5所示，记忆阶曲线如图6所示；当k＝20时，荷控忆阶元的恒流充电曲线图如图7所示，记忆阶曲线如图8所示；当k＝60时，荷控忆阶元的恒流充电曲线图如图9所示，记忆阶曲线如图10所示。

由图3～图10所示的恒流充电曲线和记忆阶曲线可知，荷控忆阶元展现出丰富的非线性特性，电压变化曲线为非单调曲线，记忆阶为直线。随着k的增大，记忆阶变化越快，元件二端电压开始展现出震荡现象。忆阶元的震荡现象是其特有的现象，目前还未发现已有的记忆元件呈现出此特性。荷控忆阶元的震荡现象不仅可以实现流控震荡，还有望应用于特殊信号源的产生，如神经元信号、信息加密信号等。

将荷控忆阶元a、b二引脚连接正弦电流源i₂(t)作为激励信号，i₂(t)＝I_m sin(2πft)，I_m为电流源的电流峰值，f为正弦电流源的频率，角频率ω＝2πf。荷控忆阶元内部状态电荷变量q₂(t)＝I_mω^-1[1-cos(ωt)]，记忆阶

由此得到荷控忆阶元二引脚的电压

若正弦电流源i₂(t)的峰值I_m＝1A，角频率ω＝1rad/s，荷控忆阶元的特征值F＝1。当k＝1时得到电压电流曲线、伏安特性曲线、记忆阶曲线分别如图11、图12和图13所示；当k＝-1时得到电压电流曲线、伏安特性曲线、记忆阶曲线分别如图14、图15和图16所示；当k＝10时得到电压电流曲线、伏安特性曲线、记忆阶曲线分别如图17、图18和图19所示。

从图12、图15和图18可知，荷控忆阶元不再具有已有记忆元件具有的捏滞回线，具有已有记忆元件不具有的新的非线性特性。从图11、图14和图17可知，荷控忆阶元不仅展现出丰富的非线性特性，而且还具有倍频功能；忆阶元是目前已知的唯一的可实现倍频的电路元件，结合图13、图16和图19可知，倍频比例与记忆阶的大小有关。

总之，荷控忆阶元具有电荷记忆功能，电荷改变元件的运算阶，可作为新电路元件广泛的应用于电路与系统的设计中，其震荡性质和倍频性质是忆阶元特有。

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 (2)

1.一种荷控忆阶元，其特征在于，包括引脚a、引脚b、压控变阶分抗U_F、电流控制电压源I_U和电压积分器A，所述压控变阶分抗U_F包括电压控制端和变阶分抗

所述压控变阶分抗U_F内变阶分抗

的运算阶受电压控制端的电压值u_c控制，所述压控变阶分抗内电压控制端的输入阻抗为无穷大，所述电流控制电压源I_U包括电流控制端和电压源输出端，所述电流控制电压源的电流控制端的输入阻抗为零，所述电流控制电压源的电压源输出端的输出阻抗为零，所述电流控制电压源I_U内电压源输出端的电压值u_i受电流控制端的电流值i控制，所述电压积分器A包括电压输入端和电压输出端，所述电压积分器的电压输入端的输入阻抗为无穷大，所述电压积分器的电压输出端的输出阻抗为零，所述引脚a、压控变阶分抗U_F内变阶分抗

电流控制电压源I_U内电流控制端以及引脚b为串联关系，所述电流控制电压源I_U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变阶分抗的电压控制端相连；所述变阶分抗

的阻抗函数

变阶分抗的运算阶μ与电压控制端的电压值u_c有关，F^(μ)称为变阶分抗的特征量，s是拉普拉斯变量；所述电流控制电压源I_U内电压源输出端的输出电压u_i＝K_j×i，K_j为电流控制电压源I_U的控制系数；从时刻t₀至t_n，所述电压积分器A内电压输出端的电压值

K_i为电压积分器A的比例系数。

2.根据权利要求1所述的一种荷控忆阶元，其特征在于，所述压控变阶分抗U_F内变阶分抗

的运算阶μ(u_c)＝ku_c，k为压控变阶分抗U_F的控制系数。

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