CN110598351B - 一种阈值型忆阻器电路仿真器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阈值型忆阻器电路仿真器，其两端经过由运算放大器组成的电压跟随器，用来隔离后边电路，两路电压经过差分电路输出，实现了忆阻器电路模型端电压的采集，差分电路的输出信号输入至由两只二极管反向并联组成的阈值电路，差分电路、阈值电路和反相比例电路共同构成了具有调节功能的阈值电路，通过改变差分电路和反相比例电路的比例电阻即可实现阈值调节。幅值超过阈值电路的电压信号进入反相积分电路和加法电路输出与忆导值成比例的电压信号，该信号与差分电路的输出信号经过乘法器后可输出与流经忆阻器的电流成正比的电压信号，最后采用两只电流传输器将该电压信号转化为电流信号，同时也保证忆阻器两端的电流是相等的。

Description

一种阈值型忆阻器电路仿真器

技术领域

本发明涉及忆阻器电路仿真器，特别涉及一种阈值型忆阻器电路仿真器，适用新型模拟电路设计等领域。

背景技术

蔡少棠教授根据缺失的磁通和电荷之间的数学关系，推测存在第四种基本电路元件忆阻器。它是一种非线性二端电路元件，可应用于非易失存储器、数字逻辑、神经网络和模拟电路设计等领域。2008年，HP实验室首次采用纳米尺度无源器件(由两个铂金属极和TiO_x金属氧化物薄膜材料组成)给出了忆阻器的物理实现。随后，更多的金属氧化物材料，如TaOx，NiOx，被证实具有忆阻特性。阈值效应普遍存在于纳米级忆阻器件中，即当激励电压超过阈值电压时，忆阻器状态值才会发生改变。迄今为止，纳米尺度忆阻器仍然存在生产技术难题，低成本、高性能忆阻器仍被期待。忆阻器电路仿真器具有易实现、低成本和特性可控等优点，可广泛应用于忆阻器及忆阻应用电路研究。现有的忆阻器电路仿真器未考虑实际忆阻器件存在的阈值效应，因而设计一种阈值型忆阻器电路仿真器是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，采用有源器件和基本电路元件，构建一种阈值型忆阻器电路仿真器。

一种阈值型忆阻器电路仿真器，包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第五运算放大器U5、第六运算放大器U6、第一电流传输器U7、第二电流传输器U8、乘法器U9、第一电阻R_in、第二电阻R_sb1、第三电阻R_sb2、第四电阻R_sb3、第五电阻R_sb4、第六电阻R_G1、第七电阻R_G2、第八电阻R_i、第九电阻R₁、第十电阻R₂、第十一电阻R₃、第十二电阻R_w、第十三电阻R_z、第一二级管D1、第二二级管D2和电容C_i；所述的乘法器U9型号为AD633；

所述的第一电流传输器U7的输出端与第一运算放大器U1的同相输入端连接并作为阈值忆阻器电路仿真器的一端；第一运算放大器U1的反相输入端与输出端连接并接第二电阻R_sb1的一端，第二电阻R_sb1的另一端与第四电阻R_sb3的一端、第三运算放大器U3的反相输入端连接，第二电流传输器U8的输出端与第二运算放大器U2的同相输入端连接并作为阈值型忆阻器电路仿真器的另一端，第二运算放大器U2的反相输入端与输出端连接并接第三电阻R_sb2的一端，第三电阻R_sb2的另一端与第五电阻R_sb4的一端、第三运算放大器U3的同相输入端连接，第五电阻R_sb4的另一端接地，第四电阻R_sb3的另一端与第三运算放大器U3的输出端、乘法器U9的x₁、第一二级管D1的阴极、第二二级管D2的阳极连接，第一二级管D1的阳极、第二二级管D2的阴极与第六电阻R_G1的一端连接，第六电阻R_G1的另一端与第七电阻R_G2的一端、第四运算放大器U4的反相输入端，第四运算放大器U4的同相输入端接地，第七电阻R_G2的另一端与第四运算放大器U4的输出端、第八电阻R_i的一端连接，第八电阻R_i的另一端与第五运算放大器U5的反相输入端、电容C_i的一端连接，第五运算放大器U5的同相输入端接地，电容C_i的另一端与第五运算放大器U5的输出端、第九电阻R₁的一端连接，第九电阻R₁的另一端与第十电阻R₂的一端、第十一电阻R₃的一端、第六运算放大器U6的反相输入端，第十电阻R₂的另一端接电压V_S，第六运算放大器U6的同相输入端接地，第十一电阻R₃的另一端与第六运算放大器U6的输出端连接并接乘法器U9的y₂脚，乘法器U9的x₂脚、y₁脚与第十三电阻R_z的一端连接并接地，第十三电阻R_z的另一端与第十二电阻R_w的一端连接并接乘法器U9的z脚，第十三电阻R_w的另一端与乘法器U9的w脚、第二电流传输器U8的同相输入端连接，第二电流传输器U8的反相输入端与第一电阻R_in的一端连接，第一电流传输器U7的反相输入端与第一电阻R_in的另一端连接，第一电流传输器U7的同相输入端接地。

本发明阈值型忆阻器电路仿真器，其两端经过由运算放大器组成的电压跟随器，用来隔离后边电路，两路电压经过差分电路输出，实现了忆阻器电路模型端电压的采集，差分电路的输出信号输入至由两只二极管反向并联组成的阈值电路，差分电路、阈值电路和反相比例电路共同构成了具有调节功能的阈值电路，通过改变差分电路和反相比例电路的比例电阻即可实现阈值调节。幅值超过阈值电路的电压信号进入反向积分电路和加法电路输出与忆导值成比例的电压信号，该信号与差分电路的输出信号经过乘法器后可输出与流经忆阻器的电流成正比的电压信号，最后采用两只电流传输器将该电压信号转化为电流信号，同时也保证忆阻器两端的电流是相等的。

有益效果：本发明采用运算放大器、电流传输器、乘法器、电阻、二极管和电容组成的阈值型忆阻器电路仿真器。利用二极管的阈值特性，并通过在反向并联的二极管前后增加比例电路，通过改变比例电阻实现阈值调节功能。只有幅值超过阈值的激励信号才能通过阈值调节电路输入至后边的运算电路，改变忆导值。

附图说明

附图1为阈值型忆阻器电路仿真器的原理图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步的描述：

本发明由运算放大器、电流传输器、乘法器、电阻、电容和二极管组成，运算放大器型号为TL084，电流传输器型号为AD844，乘法器型号为AD633，二极管型号为1N4007。图中A、B为该忆阻器模型的两端，v为忆阻器两端的电压，i为流经忆阻器的电流。第①部分中的运算放大器U1和运算放大器U2构成了具有隔离作用的电压跟随器，第②部分中的运算放大器U3和四只电阻R_sb1、R_sb2、R_sb3、R_sb4构成了差分电路，其中R_sb1＝R_sb2，R_sb3＝R_sb4，则差分电路的输出信号为：

其中，

此时差分电路的输出电压与忆阻器模型两端的电压成正比。

阈值电路利用了反向并联二极管D1和D2的阈值特性，当输入电压v_sub大于二极管D2的阈值电压v_th或者小于二极管D1的阈值电压-v_th，输入电压才会通过阈值电路输入至后边电路，否则，阈值电路的输出接近于零。

第③部分中，运算放大器U4和电阻R_G1、R_G2构成的反相比例电路的比例系数为

为了实现差分电路、阈值电路和反相比例的传输常数应等于1，需满足如下关系：

此时阈值调节电路的输出为，

v′＝v-0.5[|v+k′v_th|-|v-k′v_th|] (4)

可以看出，k＝1时，忆阻器电路模型的阈值与二极管的一致；k＜1时，电路模型的阈值电压增高；k＞1时，电路模型的阈值电压减小。因此，可以通过调整电阻R_sb1、R_sb3、R_G1、R_G2的阻值大小，实现忆阻器电路仿真器的阈值调节。

由于忆导值与它的历史状态有关，第④部分中运算放大器U5和电阻R_i、电容C_i构成了反相积分电路，阈值调节电路的输出信号反相积分后，输出为：

第⑤部分为由运算放大器U6、电阻R₁、R₂、R₃构成的加法电路，输出电压为：

v_G＝-(av_x+bV_S) (6)

其中，a＝R₃/R₁，b＝R₂/R₁，V_s＝V_EE，V_EE为负直流电压。

乘法电路由第⑥部分的乘法器U9和电阻R_w、R_z组成，用来输出与忆阻器电流成正比的电压信号，电阻R_w、R_z用来调节乘法电路的系数，根据AD633芯片数据手册，可以得到它的输出信号v_w为：

第⑦部分的两只电流传输器U7和U8用来将乘法器的输出转换为电流，并保证该电路可以浮地连接，根据欧姆定律和AD844芯片数据手册可以得出：

v_w＝R_ini (8)

根据式(8)和式(9)可以得出该阈值型忆阻器电路仿真器等效忆导值和电压v_G的关系如下：

G＝k_Gv_G (9)

其中，k_G＝R_sb3(R_w+R_z)/(10R_wR_inR_sb1)，可以通过修改电阻R_w、R_z和R_in来调整该阈值型忆阻器电路仿真器的等效忆导值。

根据分析可得出该阈值型忆阻器电路仿真器的状态方程为：

Claims (8)

1.一种阈值型忆阻器电路仿真器，其特征在于：包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第五运算放大器U5、第六运算放大器U6、第一电流传输器U7、第二电流传输器U8、乘法器U9、第一电阻R_in、第二电阻R_sb1、第三电阻R_sb2、第四电阻R_sb3、第五电阻R_sb4、第六电阻R_G1、第七电阻R_G2、第八电阻R_i、第九电阻R₁、第十电阻R₂、第十一电阻R₃、第十二电阻R_w、第十三电阻R_z、第一二级管D1、第二二级管D2和电容C_i；所述的乘法器U9型号为AD633；

所述的第一电流传输器U7的输出端与第一运算放大器U1的同相输入端连接并作为阈值型忆阻器电路仿真器的一端；第一运算放大器U1的反相输入端与输出端连接并接第二电阻R_sb1的一端，第二电阻R_sb1的另一端与第四电阻R_sb3的一端、第三运算放大器U3的反相输入端连接，第二电流传输器U8的输出端与第二运算放大器U2的同相输入端连接并作为阈值型忆阻器电路仿真器的另一端，第二运算放大器U2的反相输入端与输出端连接并接第三电阻R_sb2的一端，第三电阻R_sb2的另一端与第五电阻R_sb4的一端、第三运算放大器U3的同相输入端连接，第五电阻R_sb4的另一端接地，第四电阻R_sb3的另一端与第三运算放大器U3的输出端、乘法器U9的x₁、第一二级管D1的阴极、第二二级管D2的阳极连接，第一二级管D1的阳极、第二二级管D2的阴极与第六电阻R_G1的一端连接，第六电阻R_G1的另一端与第七电阻R_G2的一端、第四运算放大器U4的反相输入端，第四运算放大器U4的同相输入端接地，第七电阻R_G2的另一端与第四运算放大器U4的输出端、第八电阻R_i的一端连接，第八电阻R_i的另一端与第五运算放大器U5的反相输入端、电容C_i的一端连接，第五运算放大器U5的同相输入端接地，电容C_i的另一端与第五运算放大器U5的输出端、第九电阻R₁的一端连接，第九电阻R₁的另一端与第十电阻R₂的一端、第十一电阻R₃的一端、第六运算放大器U6的反相输入端，第十电阻R₂的另一端接电压V_S，第六运算放大器U6的同相输入端接地，第十一电阻R₃的另一端与第六运算放大器U6的输出端连接并接乘法器U9的y₂脚，乘法器U9的x₂脚、y₁脚与第十三电阻R_z的一端连接并接地，第十三电阻R_z的另一端与第十二电阻R_w的一端连接并接乘法器U9的z脚，第十三电阻R_w的另一端与乘法器U9的w脚、第二电流传输器U8的同相输入端连接，第二电流传输器U8的反相输入端与第一电阻R_in的一端连接，第一电流传输器U7的反相输入端与第一电阻R_in的另一端连接，第一电流传输器U7的同相输入端接地。

2.根据权利要求1所述的一种阈值型忆阻器电路仿真器，其特征在于：所述的第三运算放大器U3、第二电阻R_sb1、第三电阻R_sb2、第四电阻R_sb3、第五电阻R_sb4构成了差分电路，其中R_sb1＝R_sb2，R_sb3＝R_sb4，则差分电路的输出信号为：

其中，

此时差分电路的输出电压与忆阻器模型两端的电压成正比，其中v为二值型忆阻器电路仿真器两端的电压。

3.根据权利要求1所述的一种阈值型忆阻器电路仿真器，其特征在于：所述的第一二级管D1、第二二级管D2构成了阈值电路，当输入电压v_sub大于第二二极管D2的阈值电压v_th或者小于第一二极管D1的阈值电压-v_th，输入电压才会通过阈值电路输入至后边电路，否则，阈值电路的输出接近于零。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种阈值型忆阻器电路仿真器，其特征在于：所述的第四运算放大器U4、第六电阻R_G1、第七电阻R_G2构成的反相比例电路，反相比例电路的比例系数为

为了实现差分电路、阈值电路和反相比例的传输常数应等于1，需满足如下关系：

此时阈值调节电路的输出为，

v′＝v-0.5[|v+k′v_th|-|v-k′v_th|] (4)

k＝1时，忆阻器电路模型的阈值与二极管的一致；k＜1时，电路模型的阈值电压增高；k＞1时，电路模型的阈值电压减小；因此，通过调整电阻第二电阻R_sb1、第四电阻R_sb3第六电阻R_G1、第七电阻R_G2的阻值大小，实现忆阻器电路仿真器的阈值调节。

5.根据权利要求1所述的一种阈值型忆阻器电路仿真器，其特征在于：所述的第五运算放大器U5和第八电阻R_i、电容C_i构成了反相积分电路，反相积分后，输出v_x为：

6.根据权利要求1或5所述的一种阈值型忆阻器电路仿真器，其特征在于：所述的第六运算放大器U6、第九电阻R₁、第十电阻R₂、第十一电阻R₃构成的加法电路，加法电路的输出电压为：

v_G＝-(av_x+bV_S) (6)

其中，a＝R₃/R₁，b＝R₂/R₁，V_s＝V_EE，V_EE为负直流电压。

7.根据权利要求6所述的一种阈值型忆阻器电路仿真器，其特征在于：所述的乘法器U9和第十二电阻R_w、第十三电阻R_z组成，用来输出与阈值型忆阻器电流成正比的电压信号，第十二电阻R_w、第十三电阻R_z用来调节乘法电路的系数，根据AD633芯片数据手册，得到它的输出信号v_w为：

8.根据权利要求7所述的一种阈值型忆阻器电路仿真器，其特征在于：所述的第一电流传输器U7和第二电流传输器U8用来将乘法器的输出转换为电流，并保证电路浮地连接，根据欧姆定律和AD844芯片数据手册得出：

v_w＝R_ini (8)

根据式(7)和式(8)得出该阈值型忆阻器电路仿真器等效忆导值G和电压v_G的关系如下：

G＝k_Gv_G (9)

其中，k_G＝R_sb3(R_w+R_z)/(10R_wR_inR_sb1)，通过修改电阻R_w、R_z和R_in来调整该阈值型忆阻器电路仿真器的等效忆导值；

根据分析得出该阈值型忆阻器电路仿真器的状态方程为：

其中v为二值型忆阻器电路仿真器两端的电压，v_th为第一二级管D1、第二二级管D2的阈值电压，k′为第四运算放大器U4、第六电阻R_G1、第七电阻R_G2构成的反相比例电路的比例系数。

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