CN112859986A - 基于忆阻的连续可调电压源产生电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于忆阻的连续可调电压源产生电路，包括稳压电路和忆阻值调节电路，稳压电路和忆阻值调节电路共用一个忆阻器，忆阻值调节电路用于调节忆阻器的阻值；稳压电路中，稳压芯片的输出端与电感以及二极管的输出端连接，电感的另一端与电容连接，二极管的输入端以及电容的另一端接地，第一电阻、忆阻器和第二电阻依次串联，然后并联在电容两端；忆阻器和第二电阻的电压作为稳压芯片的反馈电压，第一电阻、忆阻器和第二电阻的电压即为产生的连续可调电压。稳压电路用于产生连续可调的电压值，且在调节输出电压的过程中，无需更换忆阻器或其他电路元件，保证电路结构不改变；忆阻值调节电路用于调节忆阻器阻值，进而连续调节输出电压。

Description

基于忆阻的连续可调电压源产生电路
技术领域
本发明属于电路技术领域，具体涉及一种基于忆阻的连续可调电压源产生电路。
背景技术
忆阻器，全称记忆电阻器(Memristor)，是表示磁通与电荷关系的电路器件。忆阻器在任一时刻的磁通量φ(t)和电荷量q(t)之间存在着某代数关系，该代数关系可由φ-q或q-φ平面上的一条曲线所确定。当该代数关系由电荷的单值函数表示时，称为荷控忆阻；该代数关系由磁通的单值函数表示时，称为磁控忆阻。
忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻，可以记忆流经它的电荷数量，也可以通过控制电流流向的变化改变其阻值。当正向电流流过忆阻器时，其电阻值增加，反之则减小。同时，它与CMOS电路有良好的兼容性。
忆阻器的阻值变化率与施加电压的大小有关，即具有电压阈值效应。忆阻器存在高低阈值电压，当忆阻器两端施加电压在高低阈值电压范围内时，忆阻器阻值可视为不变，只有在高低阈值电压之外，才能使忆阻器阻值改变。
忆阻器在电路设计中已有较多应用，但尚未出现利用忆阻器制作电压源产生电路。目前已有较多电压源产生电路，但部分电压源的输出电压值恒定不可变，若要改变输出电压值，需更换电路部件或改变电路结构；基于PWM的电压源对上述缺陷有所改善，可实现稳压和调节输出电压，但在输出电压的过程中其电能损耗较大。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于忆阻的连续可调电压源产生电路，能够连续调节输出电压，并在保证输出电压可调的同时减小电能损耗。
本发明提供一种基于忆阻的连续可调电压源产生电路，包括稳压电路和忆阻值调节电路，稳压电路和忆阻值调节电路共用一个忆阻器，忆阻值调节电路用于调节忆阻器的阻值；
稳压电路包括稳压芯片、电感、二极管、电容、第一电阻和第二电阻；其中，稳压芯片的输出端与电感以及二极管的输出端连接，电感的另一端与电容连接，二极管的输入端以及电容的另一端接地，第一电阻、忆阻器和第二电阻依次串联，然后并联在电容两端；
忆阻器和第二电阻的电压作为稳压芯片的反馈电压，第一电阻、忆阻器和第二电阻的电压即为产生的连续可调电压。
进一步地，忆阻值调节电路包括NMOS管、PMOS管和第一控制信号；NMOS管和PMOS管的源极均接至地，两管的漏极相连后接至忆阻器的一端，两管的栅极及忆阻器的另一端均接至第一控制信号。
进一步地，第一控制信号的正负电位超过忆阻器的高低阈值电压。
进一步地，稳压电路还包括第二控制信号，第二控制信号连接至稳压芯片的使能端。
进一步地，忆阻器为电压阈值型忆阻器。
进一步地，稳压芯片为LM2956稳压芯片。
本发明的有益效果是：本发明的基于忆阻的连续可调电压源产生电路，包括稳压电路和忆阻值调节电路，稳压电路用于产生连续可调的电压值，且在调节输出电压的过程中，无需更换忆阻器或其他电路元件，保证电路结构不改变；忆阻值调节电路用于调节忆阻器阻值，进而连续调节输出电压，实现连续调节输出电压的稳压电源。此外，稳压电路中，利用第二电阻分压，保证忆阻器两端的电压在其高低阈值电压范围内，使得在持续输出稳定电压时，忆阻器阻值不变。
进一步地，忆阻值调节电路中，第一控制信号施加在忆阻器和MOS管的两端，第一控制信号一方面可为忆阻值调节电路供电；另一方面，当控制信号分别为正、负电位时，电流分别反向、正向流过忆阻器，从而调节忆阻值的增减。当忆阻器阻值调节完毕，第一控制信号置0，稳压电路工作。
进一步地，由于稳压电路与忆阻值调节电路存在明显的先后次序，因此在稳压电路中设置第二控制信号，在忆阻器阻值达到期望值并稳定后，使稳压电路输出连续稳定的电压值。
附图说明
图1是本发明的基于忆阻的连续可调电压源产生电路原理图。
图2是本发明的忆阻值调节电路原理图。
图3是忆阻值增加时的电流通路。
图4是忆阻值减少时的电流通路。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：
本发明的基于忆阻的连续可调电压源产生电路，包括稳压电路和忆阻值调节电路，稳压电路用于产生连续可调的电压值，且在调节输出电压的过程中，无需更换忆阻器或其他电路元件，保证电路结构不改变；忆阻值调节电路用于调节忆阻器阻值，进而连续调节输出电压，实现连续调节输出电压的稳压电源。此外，稳压电路中，利用第二电阻分压，保证忆阻器两端的电压在其高低阈值电压范围内，使得在持续输出稳定电压时，忆阻器阻值不变。忆阻值调节电路中，第一控制信号施加在忆阻器和MOS管的两端，第一控制信号一方面可为忆阻值调节电路供电；另一方面，当控制信号分别为正、负电位时，电流分别反向、正向流过忆阻器，从而调节忆阻值的增减。当忆阻器阻值调节完毕，第一控制信号置0，稳压电路工作。由于稳压电路与忆阻值调节电路存在明显的先后次序，因此在稳压电路中设置第二控制信号，在忆阻器阻值达到期望值并稳定后，使稳压电路输出连续稳定的电压值。本发明可为多种用电设备提供连续可调的电压。
本发明实施例的基于忆阻的连续可调电压源产生电路，如图1所示，利用控制信号VC1控制MOS管通断，进而控制电流流经荷控忆阻器的方向从而使忆阻值增加、减少或稳定不变。当控制信号为零电平，使得忆阻器阻值不变时，整个忆阻值调节电路部分无闭合回路，此时忆阻器连接至稳压电路中，控制信号VC2选通稳压芯片LM2956，结合已调整好阻值的忆阻器，此时电路可产生连续可调的电压源。
图1是本发明的整体电路图，包括稳压电路与忆阻值调节电路两部分。稳压电路可在忆阻器阻值不同时，输出连续稳定的电压值。稳压电路主要采用了稳压芯片LM2956，LM2956开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。
稳压电路包括LM2956稳压芯片、稳压二极管D1、电感L1、电容C1、电阻R1及R2。稳压芯片LM2956的输入端接10V的固定电压，使能端接控制信号VC2，LM2956输出端连接电感L1、二极管D1的输出端，电容C1连接至二极管与电感之间。稳压芯片LM2956的输出端为外部电路供电，同时外部电路提供一反馈电压至稳压芯片LM2956的反馈端，使得输出电压连续且稳定，负载发生变化时，仍可通过反馈电压，对稳压芯片的输出进行调节，使得整个电路的输出电压值保持稳定。电感L1、电容C1构成滤波电路，同时与二极管D1可一同为负载续流。电阻R1、忆阻器RM、电阻R2串联，同时并联在电容C1的两端。将电阻R2与忆阻RM的电压作为反馈信号接至稳压芯片LM2956的反馈端，同时忆阻RM与电阻R2串联分压，保证调整完毕后，忆阻器阻值不变。LM2956反馈端存在一个反馈放大器，电阻R2与忆阻RM的电压实际上接至放大器的正向段，反馈放大器的反向端恒定接入一基准电压Vref。电阻R1、R2及忆阻RM的电压作为产生的连续可调电压源，当控制信号VC1为0使得忆阻器阻值稳定，且控制信号VC2为低电平使得稳压芯片LM2956工作时，基于忆阻的连续可调电压源产生电路输出电压为：
Figure BDA0002907170800000041
其中，Vref为LM2956稳压器内部自带的基准电压。由式(1)可知，在电阻R1、R2固定的情况下，输出电压值会随着忆阻值RM的变化而变化。改变RM的值即可调节电路的输出电压。
图2为忆阻值调节电路，包括一个NMOS管、一个PMOS管，两管的参数对称；两管源极均接至地，漏极相连后接至忆阻器的一段，两管的栅极及忆阻器的另一端均接至控制信号VC1。其中，T1、T2分别NMOS管和PMOS管，VC1为控制信号，有正电位、负电位和零电位之分，用于控制MOS管导通与关断。由于忆阻器RM存在高低阈值电压，设其高低阈值电压分别为Vmax、Vmin。当施加在其两端的电压值在高低阈值电压范围内时，忆阻器阻值不变。只有忆阻器两端电压大于Vmax或小于Vmin时，忆阻器阻值发生变化。因此，控制信号的正负电位应分别大于和小于Vmax和Vmin，即正电位应大于电压阈值型忆阻器的高阈值，负电位应小于电压阈值型忆阻器的低阈值。控制信号VC1一方面可改变忆阻值调节电路的电流回路，一方面可改变忆阻器阻值，利用MOS管的开关特性，形成不同的电流回路，控制电流流经忆阻器的方向，从而决定忆阻器阻值是增加还是减小。当控制信号在忆阻器高低阈值电压之间时，忆阻器阻值不变，稳压电路工作，可输出连续稳定的电压值。
控制信号VC1的三个状态分别代表忆阻器阻值的三种变化情况，调节过程直观简单。控制信号连续导致流经忆阻器的电流连续，从而使得忆阻器阻值、输出电压连续，用户可通过需要的电压值，计算应施加控制信号的时间及方向，即可达到应设定的忆阻值，精准地实现输出电压调节，而不需改变电路结构。
对于NMOS管T1而言，当VC1为正电位时，栅源电压VGS1大于阈值电压VT，T1导通，工作在可变电阻区，其等效电阻为：
Figure BDA0002907170800000042
式中，Kn为电导常数，由MOS管本身的结构决定。此时T1可视为一个受VGS1控制的可变电阻。
当VC1为负电位时，栅源电压VGS1小于阈值电压VT，T1关断，漏-源电阻很大，相当于断开，MOS管处于截止工作状态。用同样的方法分析T2可知，T2导通，工作在可变电阻区，等效电阻均为r。
图3为忆阻值增加电路。当VC1为负电位时，T2导通，T1截止，电流正向流过忆阻器，忆阻值增加。图4为忆阻值减小电路。当VC1为正电位时，T1导通，T2截止，电流反向流过忆阻器，忆阻值减小。当VC1为零电位时，T1、T2均截止，忆阻值调节电路无电流，忆阻值不变。在调节忆阻值的过程中，忆阻器两端的电压可表示为：
Figure BDA0002907170800000051
忆阻器的阻值可表示为：
RM(t)＝Roff(1-nq(t))……(4)
公式(4)两边对时间求微分可得：
Figure BDA0002907170800000052
式中，k为与忆阻器本身结构有关的常数，
Figure BDA0002907170800000053
Roff、Ron分别为未掺杂部分、掺杂部分电阻，UV为离子在均匀场中移动情况常数，D为忆阻元件长度，k为负值。
根据欧姆定律及公式(3)可得：
Figure BDA0002907170800000054
记RM(0)＝Rs，对公式(4)积分可得：
Figure BDA0002907170800000055
可见，忆阻值增加时，式(7)选择‘-’。忆阻值减小时，式(7)选择‘+’。
联立公式(1)及公式(7)可得：
Figure BDA0002907170800000056
公式(8)显示了输出电压与施加控制信号VC1的时间及方向的关系；式(8)表明，根据需要的输出电压值，可通过设置控制信号VC1的电位及时长，使输出电压发生改变。上述分析可知，本发明电路实现了利用单个信号控制忆阻器阻值的增减，电路设计简便且有效。
本发明提供了一种基于忆阻的连续可调电压源产生电路，该电路只需对单个控制信号的逻辑电平与设置时间加以控制，即可得到所需电压源，电压源调节过程连续且迅速。此电路连接简单，可运用于电加热服饰加热片的供电中，根据人体的加热需求，设定出所需求温度的智能加热方法。同时，本发明可在神经网络中使用，为突触电路提供持续可调的电压。本发明可根据操作对象的要求调节电压值，运用范围广泛。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于忆阻的连续可调电压源产生电路，其特征在于，包括稳压电路和忆阻值调节电路，稳压电路和忆阻值调节电路共用一个忆阻器，忆阻值调节电路用于调节忆阻器的阻值；
稳压电路包括稳压芯片、电感、二极管、电容、第一电阻和第二电阻；其中，稳压芯片的输出端与电感以及二极管的输出端连接，电感的另一端与电容连接，二极管的输入端以及电容的另一端接地，第一电阻、忆阻器和第二电阻依次串联，然后并联在电容两端；
忆阻器和第二电阻的电压作为稳压芯片的反馈电压，第一电阻、忆阻器和第二电阻的电压即为产生的连续可调电压。
2.根据权利要求1所述的基于忆阻的连续可调电压源产生电路，其特征在于，忆阻值调节电路包括NMOS管、PMOS管和第一控制信号；NMOS管和PMOS管的源极均接至地，两管的漏极相连后接至忆阻器的一端，两管的栅极及忆阻器的另一端均接至第一控制信号。
3.根据权利要求2所述的基于忆阻的连续可调电压源产生电路，其特征在于，第一控制信号的正负电位超过忆阻器的高低阈值电压。
4.根据权利要求1所述的基于忆阻的连续可调电压源产生电路，其特征在于，稳压电路还包括第二控制信号，第二控制信号连接至稳压芯片的使能端。
5.根据权利要求1所述的基于忆阻的连续可调电压源产生电路，其特征在于，忆阻器为电压阈值型忆阻器。
6.根据权利要求1所述的基于忆阻的连续可调电压源产生电路，其特征在于，稳压芯片为LM2956稳压芯片。
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