CN109829194A - 一种绝对值磁控忆阻器等效模拟电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，属于电路设计技术领域，本发明利用模拟电路实现广义忆阻器伏安特性，实现了广义忆阻器伏安特性，利用集成运算电路实现忆阻器特性中的相应运算，其中，电压跟随器用于实现输出电压与输入电压相等，反相积分器用于实现对输入电压进行积分运算，反相比例器用于实现输出电压与输入电压是比例运算关系，并且成反相；绝对值电路网络用于实现输出电压是输入电压的绝对值；乘法电路用于实现来自两端输入信号的相乘。本发明结构简单，可代替实际广义忆阻器实现与忆阻器相关的电路设计、实验及应用，对忆阻器的特性和应用研究具有重要的意义。

Description

一种绝对值磁控忆阻器等效模拟电路

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，具体涉及一种绝对值磁控忆阻器等效模拟电路。

背景技术

忆阻器继电阻、电容和电感后的第四个基本电路元件，它描述了磁通和电荷之间关系，并且具有其他三种基本电路元件任意组合都不能复制的特性，它是一种具有记忆功能的非线性电阻。Chua在1971年根据电路基本变量组合完备性定理从理论上预测了忆阻元件的存在性，直到2008年惠普实验室才第一次做出了实物TiO2忆阻器。忆阻器可以记忆流经它的电荷数量，这就使它成为天然的非挥发性存储器，忆阻器的出现使得集成电路元件变得体积小并且便于携带，与此同时忆阻器也被广泛应用于神经网络、电子工程和通讯工程等领域。但是，由于纳米技术具有高成本和实现困难的缺点，实物忆阻器还没有作为实际元件走向市场；即使是忆阻器商用化以后，也是以大规模集成电路的形式存在，很难有单独分离的纳米级忆阻器可以利用。因此，利用等效模拟电路代替实物忆阻器，并且利用其进行电路设计和应用具有广泛而深远的意义。

目前，报道的忆阻器仿真模型有PSPICE仿真模型、模拟忆阻器的硬件等效电路，一方面这两类忆阻器模型原理复杂、难以在实际中实现；另一方面这两类忆阻器难以精确模拟实际忆阻器的特性。因此，设计一种原理简单、易于实现以及精确程度高的忆阻器等效电路具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，包括电阻网络、电压跟随器U1、反相积分器U2、反相比例器、绝对值电路网络和乘法器；

电压跟随器，被配置为用于实现输出电压与输入电压相等；

反相积分器，被配置为用于实现对输入电压进行积分运算；

反相比例器，被配置为用于实现输出电压与输入电压是比例运算关系并且成反相；包括第一反相比例器U3和第二反相比例器U4，第一反相比例器U3和第二反相比例器U4通过线路连接；

绝对值电路网络，被配置为用于实现使输出电压是输入电压的绝对值；包括第一运算放大器U5和第二运算放大器U6，第一运算放大器U5和第二运算放大器U6通过线路连接；

乘法器，被配置为用于实现两个输入信号的相乘；包括第一乘法器UA1和第二乘法器UA2；

该等效模拟电路包括两个闭环电路；其中，电阻网络、电压跟随器U1、第一乘法器UA1、反相积分器U2、第一运算放大器U5、第二运算放大器U6、第二乘法器UA2通过线路依次连接组成第一闭环电路；电阻网络、电压跟随器U1、第一反相比例器U3、第二反相比例器U4、第二乘法器UA2通过线路依次连接组成第二闭环电路。

优选地，电阻网络包括第一电阻R1，第一电阻R1的一端连接输入端，该端也与电压跟随器U1的一端连接，第一电阻R1的另一端通过线路连接至第二乘法器UA2的一端。

优选地，电压跟随器U1采用OP07CP芯片，其引脚连接方式如下：

电压跟随器U1的第2引脚与第6引脚短接，其第3引脚与第一电阻R1的一端通过线路连接，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接电源VCC；其第1引脚和第8引脚悬空。

优选地，反相积分器U2采用OP07CP芯片，其引脚连接方式如下：

反相积分器U2的第2引脚通过第三电阻R3与第一电容C1组成的并联电路与第6引脚连接，其第3引脚接地，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接电源VCC，其第1引脚和第8引脚悬空。

优选地，第一反相比例器U3和第二反相比例器U4均采用OP07CP芯片；

第一反相比例器U3的引脚连接方式如下：

第一反相比例器U3的第2引脚通过第四电阻R4与电压跟随器U1的第6引脚连接，其第3引脚接地，其第6引脚通过第五电阻R5与第2引脚连接，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接电源VCC，其第1引脚和第8引脚悬空；

第二反相比例器U4的引脚连接方式如下：

第二反相比例器U4的第2引脚通过第六电阻R6与第一反相比例器U3的第6引脚连接，其第3引脚接地，其第6引脚通过第七电阻R7与第2引脚连接，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接电源VCC，其第1引脚和第8引脚悬空。

优选地，第一运算放大器U5和第二运算放大器U6均采用OP07CP芯片；

第一运算放大器U5的引脚连接方式如下：

第一运算放大器U5的第2引脚通过第八电阻R8与反相积分器U2的第6引脚连接，其第3引脚接地，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接VCC，其第6引脚通过第一二极管D1与第九电阻R9组成的串联电路与第2引脚连接，其第6引脚还通过第二二极管D2与第十二电阻R12组成的串联电路与第2引脚连接，其第1，5，8引脚悬空；

第二运算放大器U6的引脚连接方式如下：

第二运算放大器U6的第2引脚通过第十电阻R10与第一二极管D1的正极连接，其第3引脚与第二二极管D2的负极连接，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接VCC，其第6引脚通过第十一电阻R11与第2引脚连接；其第1，5，8引脚悬空。

优选地，第一乘法器UA1和第二乘法器UA2均采用AD633JN芯片；

第一乘法器UA1的引脚连接方式如下：

第一乘法器UA1的X1引脚接电压跟随器U1的第6引脚，其Y1引脚与X1引脚连接，其X2引脚和Y2引脚接地，其VS+引脚接电源VCC的同时通过第三电容C3与地连接，其VS-引脚接电源VEE的同时通过第二电容C2与地连接，其Z引脚接地，其W引脚通过第二电阻R2与反相积分器U2的第2引脚连接；

第二乘法器UA2的引脚连接方式如下：

第二乘法器UA2的X1引脚接第二反相比例器U4的第6引脚，其Y1引脚接绝对值电路网络中第二运算放大器U6的第6引脚，其X2引脚和Y2引脚接地，其VS+引脚接电源VCC的同时通过第五电容C5与地连接，其VS-引脚接电源VEE的同时通过第四电容C4与地连接，其Z引脚接地，其W引脚接第一电阻R1。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明设计了一种能够实现广义忆阻器伏安特性的模拟等效电路，该模拟电路含6个运算放大器和2个乘法器，结构简单，可代替实际广义忆阻器实现与忆阻器相关的电路设计、实验及应用，对忆阻器的特性和应用研究具有重要的意义。

本发明设计的实现忆阻器的模拟电路，其利用模拟电路实现广义忆阻器伏安特性，具体实现了广义忆阻器伏安特性。本发明利用集成运算电路实现忆阻器特性中的相应运算，其中，电压跟随器用于实现输出电压与输入电压相等，反相积分器用于实现对输入电压进行积分运算，反相比例器用于实现输出电压与输入电压是比例运算关系，并且成反相；绝对值电路网络用于实现输出电压是输入电压的绝对值；乘法电路用于实现来自两端输入信号的相乘。

附图说明

图1是本发明的电路结构框图。

图2是本发明忆阻器等效模拟电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明的理论出发点是广义忆阻器的定义表达式：

如图1所示，一种绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，包括电阻网络、电压跟随器U1、反相积分器U2、反相比例器、绝对值电路网络和乘法器；

电压跟随器，被配置为用于实现输出电压与输入电压相等；

反相积分器，被配置为用于实现对输入电压进行积分运算；

反相比例器，被配置为用于实现输出电压与输入电压是比例运算关系并且成反相；包括第一反相比例器U3和第二反相比例器U4，第一反相比例器U3和第二反相比例器U4通过线路连接；

绝对值电路网络，被配置为用于实现使输出电压是输入电压的绝对值；包括第一运算放大器U5和第二运算放大器U6，第一运算放大器U5和第二运算放大器U6通过线路连接；

乘法器，被配置为用于实现将两个输入端的信号相乘；包括第一乘法器UA1和第二乘法器UA2。

如图2所示，电阻网络包含第一电阻R1，第一电阻R1的一端与连接输入端连接，该端还与电压跟随器U1的第3引脚连接，第一电阻R1的另一端与乘法器UA2的W端连接，则电压跟随器U1的第3引脚的输出电压v₁₃与连接输入端的电压v_in相等：

v₁₃＝v_in (2)；

电压跟随器U1用以实现输入电压v_in的无电流、无衰减传输，即电压跟随器U1的第6引脚v₁₆为：

v₁₆＝v₁₃＝v_in (3)；

第一乘法器UA1的X1引脚和Y1引脚与电压跟随器U1的第6引脚连接，该乘法器的X2引脚、Y2引脚和Z引脚接地，VS+引脚接电源VCC的同时通过电容C3与地连接，VS-引脚接电源VEE的同时通过电容C2与地连接，Z引脚接地，W引脚通过电阻R2与反相积分器U2的第2引脚连接，即乘法器UA1的W引脚输出电压v_1w为：

反相积分器U2用以实现对输入电流的积分，定义反相积分器U2引脚6的电压v₂₆为忆阻器的状态变量x，则可得到下式：

v₂₆＝x (5)；

第一反相比例器U3中的第四电阻R4与第五电阻R5阻值相等，可以实现输入电压v_in0的反相跟随，即第一反相比例器U3的第6引脚电压v₃₆为：

第二反相比例器U4，用于实现输出于输入的比例放大关系，并且成反相。第二反相比例器U4的第6引脚电压v₄₆为：

绝对值电路网络由两个型号为OP07CP的芯片U5和U6组成，实现输出信号是输入信号的绝对值。绝对值电路网络的输入信号为反相积分器U2引脚6的电压v₂₆即忆阻器的状态变量x，则绝对值电路网络输出电压v₆₆为：

v₆₆＝|x| (10)；

第一乘法器UA2，其型号为AD633JN，用于实现第二反相比例器U4引脚6的输出信号v₄₆和绝对值电路网络输出信号v₆₆的相乘运算，即第一乘法器UA2输出端W引脚的电压v_2w为：

如图2所示，设流经第一电阻R1的电流为i(t)，第一电阻R1两端的伏安特性为：

忆阻器等效电路的内部状态变量方程如下：

综上，忆阻器等效电路的表达式为：

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，其特征在于：包括电阻网络、电压跟随器U1、反相积分器U2、反相比例器、绝对值电路网络和乘法器；

电压跟随器，被配置为用于实现输出电压与输入电压相等；

反相积分器，被配置为用于实现对输入电压进行积分运算；

反相比例器，被配置为用于实现输出电压与输入电压是比例运算关系并且成反相；包括第一反相比例器U3和第二反相比例器U4，第一反相比例器U3和第二反相比例器U4通过线路连接；

绝对值电路网络，被配置为用于实现使输出电压是输入电压的绝对值；包括第一运算放大器U5和第二运算放大器U6，第一运算放大器U5和第二运算放大器U6通过线路连接；

乘法器，被配置为用于实现两个输入信号的相乘；包括第一乘法器UA1和第二乘法器UA2；

该等效模拟电路包括两个闭环电路；其中，电阻网络、电压跟随器U1、第一乘法器UA1、反相积分器U2、第一运算放大器U5、第二运算放大器U6、第二乘法器UA2通过线路依次连接组成第一闭环电路；电阻网络、电压跟随器U1、第一反相比例器U3、第二反相比例器U4、第二乘法器UA2通过线路依次连接组成第二闭环电路。

2.根据权利要求1所述的绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，其特征在于：电阻网络包括第一电阻R1，第一电阻R1的一端连接输入端，该端也与电压跟随器U1的一端连接，第一电阻R1的另一端通过线路连接至第二乘法器UA2的一端。

3.根据权利要求1所述的绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，其特征在于：电压跟随器U1采用OP07CP芯片，其引脚连接方式如下：

电压跟随器U1的第2引脚与第6引脚短接，其第3引脚与第一电阻R1的一端通过线路连接，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接电源VCC；其第1引脚和第8引脚悬空。

4.根据权利要求1所述的绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，其特征在于：反相积分器U2采用OP07CP芯片，其引脚连接方式如下：

反相积分器U2的第2引脚通过第三电阻R3与第一电容C1组成的并联电路与第6引脚连接，其第3引脚接地，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接电源VCC，其第1引脚和第8引脚悬空。

5.根据权利要求1所述的绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，其特征在于：第一反相比例器U3和第二反相比例器U4均采用OP07CP芯片；

第一反相比例器U3的引脚连接方式如下：

第一反相比例器U3的第2引脚通过第四电阻R4与电压跟随器U1的第6引脚连接，其第3引脚接地，其第6引脚通过第五电阻R5与第2引脚连接，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接电源VCC，其第1引脚和第8引脚悬空；

第二反相比例器U4的引脚连接方式如下：

第二反相比例器U4的第2引脚通过第六电阻R6与第一反相比例器U3的第6引脚连接，其第3引脚接地，其第6引脚通过第七电阻R7与第2引脚连接，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接电源VCC，其第1引脚和第8引脚悬空。

6.根据权利要求1所述的绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，其特征在于：第一运算放大器U5和第二运算放大器U6均采用OP07CP芯片；

第一运算放大器U5的引脚连接方式如下：

第一运算放大器U5的第2引脚通过第八电阻R8与反相积分器U2的第6引脚连接，其第3引脚接地，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接VCC，其第6引脚通过第一二极管D1与第九电阻R9组成的串联电路与第2引脚连接，其第6引脚还通过第二二极管D2与第十二电阻R12组成的串联电路与第2引脚连接，其第1，5，8引脚悬空；

第二运算放大器U6的引脚连接方式如下：

第二运算放大器U6的第2引脚通过第十电阻R10与第一二极管D1的正极连接，其第3引脚与第二二极管D2的负极连接，其第4引脚接电源VEE，其第7引脚接VCC，其第6引脚通过第十一电阻R11与第2引脚连接；其第1，5，8引脚悬空。

7.根据权利要求1所述的绝对值磁控忆阻器等效模拟电路，其特征在于：第一乘法器UA1和第二乘法器UA2均采用AD633JN芯片；

第一乘法器UA1的引脚连接方式如下：

第一乘法器UA1的X1引脚接电压跟随器U1的第6引脚，其Y1引脚与X1引脚连接，其X2引脚和Y2引脚接地，其VS+引脚接电源VCC的同时通过第三电容C3与地连接，其VS-引脚接电源VEE的同时通过第二电容C2与地连接，其Z引脚接地，其W引脚通过第二电阻R2与反相积分器U2的第2引脚连接；

第二乘法器UA2的引脚连接方式如下：

第二乘法器UA2的X1引脚接第二反相比例器U4的第6引脚，其Y1引脚接绝对值电路网络中第二运算放大器U6的第6引脚，其X2引脚和Y2引脚接地，其VS+引脚接电源VCC的同时通过第五电容C5与地连接，其VS-引脚接电源VEE的同时通过第四电容C4与地连接，其Z引脚接地，其W引脚接第一电阻R1。