CN203219277U - 忆阻器仿真器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种忆阻器仿真器,包括T型电阻网络、差分放大器、高通滤波器、积分器和模拟乘法器,T型电阻网络具有二端口(A、B),差分放大器将T型电阻网络二端口的电压取出进行放大,其输出电压信号分为两路,一路直接送入所述的模拟乘法器,另一路先通过所述的高通滤波器滤除直流电压后送入所述的积分器,积分后的电压信号再送入所述的模拟乘法器,模拟乘法器的输出直接接入所述T型电阻网路的第三个端子。本实用新型利用模拟电路实现了忆阻器的一种仿真器电路,把原本流控型的记忆电阻设计为压控型的记忆电导,使得忆阻器仿真器的模拟电路实现更为灵活、方便。
Description
技术领域
本实用新型属于新型电路设计技术领域,涉及一种忆阻器仿真器的实现方法,该仿真器是能够仿真忆阻器特性的等效电路,具体是一种符合TiO2忆阻器特性的仿真器。
背景技术
忆阻器是一种具有记忆性的非线性电阻,也称为记忆电阻,它是继电阻、电容和电感之后的第四种电路元件。忆阻器最早在1971年由Chua提出,但直到2008年才由美国惠普实验室发现了一种实际忆阻器的存在,即TiO2忆阻器。忆阻器具有记忆性、突触特性和纳米尺度,在非易失性存储器、神经网络等领域有极大的应用潜力。但由于纳米技术的实现过程困难和成本很高,到目前为止,忆阻器还未作为一个实际的电路元件而走向市场。因此,设计一种忆阻器仿真器并用其替代实际忆阻器进行实验和/或应用研究具有非常重要的现实意义。且,即使忆阻器商用化以后,其也是以大规模集成电路的形式存在,难有单独分离的纳米级忆阻器可以利用。因此,利用忆阻器仿真器代替实际的TiO2忆阻器进行应用电路设计将具有长远的意义与价值。
目前,虽已报导了少量的忆阻器仿真器模型,但以PSPICE仿真模型居多,而少数的几个由硬件等效电路构成的仿真器,有的原理较为复杂,导致实际应用中难以实现,有的则误差较大,难以精确模拟实际忆阻器的特性。
因此,设计与实现一种原理简单、误差小的新的忆阻器硬件仿真器具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本实用新型提供了一种新的忆阻器仿真器,利用一个新的硬件模拟电路实现了TiO2忆阻器的端口伏安特性。该忆阻器仿真器具有原理简单、模拟实际忆阻器特性的误差小等优点。
本实用新型采用如下技术方案实现其实用新型目的:一种忆阻器仿真器,包括T型电阻网络、差分放大器、高通滤波器、积分器和模拟乘法器,T型电阻网络具有二端口(A、B),差分放大器将T型电阻网络二端口的电压取出进行放大,其输出电压信号分为两路,一路直接送入所述的模拟乘法器,另一路先通过所述的高通滤波器滤除直流电压后送入所述的积分器,积分后的电压信号再送入所述的模拟乘法器,模拟乘法器的输出直接接入所述T型电阻网路的第三个端子。
优选的,T型电阻网络包括线性电阻R1、R2、R3,三个电阻采用T型连接,其中,电阻R1、R2的两个端子分别构建所述的二端口(A、B),电阻R2的另一端再通过串联电阻R4接地;电阻R3的一个端子作为反馈信号的接入点即所述的第三个端子。
进一步优选的,差分放大器采用LF347,差分放大器LF347的第4引脚VCC接+12V电源,第11引脚VEE接-12V电源;第3引脚IN1+接T型电阻网络的的一个端口(A),第5引脚IN2+接T型电阻网络的另一个端口(B);第2引脚和第6引脚之间连接一个可变电阻器R6;第1引脚和第2引脚间、第6引脚和第7引脚间分别串电阻R5、电阻R7;第1引脚和第13引脚间、第7引脚和第12引脚间分别串电阻R8、电阻R9;第12引脚串一个电阻R13到地;第13引脚和第14引脚间串一电阻R10;从第14引脚引出的信号即为所述二端口的差模电压信号。
再进一步优选的,模拟乘法器采用AD633JN;差分放大器LF347第14引脚引出的信号分为两路,一路接入模拟乘法器AD633JN的第1引脚X1+,另一路接入由电阻R12、电容C1构成的高通滤波器中;电阻R12、电容C1构建高通滤波器的输出串一电阻R11后接入差分放大器LF347的第9引脚,差分放大器LF347的第8引脚和第9引脚间串一电容C2,从第8引脚引出的信号即是对所述二端口输入信号的积分。
更进一步优选的,差分放大器LF347的第8引脚输出的积分信号接入模拟乘法器AD633JN的第3引脚Y1+;模拟乘法器AD633的第2引脚X2-、第4引脚Y2-和第6引脚接地;第5引脚接-12V电源;第8引脚接+12V电源;第7引脚接入所述T型电阻网络中电阻R3的反馈信号接入点。
本实用新型具有如下技术效果:
本实用新型提供了一种忆阻器仿真器的实现方法,利用模拟电路实现了忆阻器的一种仿真器电路,把原本流控型的记忆电阻设计为压控型的记忆电导,使得忆阻器仿真器的模拟电路实现更为灵活、方便;该忆阻器仿真器电路采用了T型电阻网络和高品质的仪表差分放大器,使得忆阻器仿真器两输入端的联络相等,更加符合实际忆阻器的特性。该模拟电路结构简单,调试方便,稳定性好,能够很好地模拟忆阻器端口特性,在目前及将来无法获得纳米级单个孤立忆阻器器件的情况下,可代替实际TiO2忆阻器实现与忆阻器相关的电路设计与实验,也可用于其他需要忆阻器的应用领域。
附图说明
图1是本实用新型忆阻器的物理模型图。
图2a是本实用新型忆阻器仿真器的电路结构图。
图2b是本实用新型忆阻器仿真器电路结构功能框图。
图3是T型电阻网络的电路原理图。
图4是本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型优选实施例作进一步详细的说明。
HP实验室TiO2忆阻器的基本特性方程为:
根据a推导出以记忆电阻M(t)表示的伏安关系b:
其中,
根据b构建并联型(压控型)忆阻器记忆电导W(t)的一种伏安关系c:
忆阻器仿真器的实现,便是设计一种模拟电路实现c所描述的运算。
如图2a、2b所示,忆阻器仿真器由T型电阻网络、高品质差分放大器(仪表放大器)即差分运放、积分器、高通滤波器和模拟乘法器组成,T型电阻网络具有二端口A、B,二端口A、B分别接入差分运放器,差分运放器将T型电阻网络的端口电压取出进行放大,其输出电压信号分为两路,一路直接送入模拟乘法器,另一路先通过一个RC高通滤波器滤除直流电压后送入积分器,积分后的电压信号再送入模拟乘法器,模拟乘法器的输出直接接入T型电阻网路端口(A、B)以外的第三个端子。
如图3所示,T型电阻网络包括线性电阻R1、R2、R3,三个电阻采用T型连接,其中,电阻R1、R2的两个端子分别构建忆阻器仿真器的端口A、B;电阻R3的一个端子作为反馈信号的接入点,电阻R2的另一端再通过串联电阻R4接地,T型网络端口A、B的伏安特性关系如下公式:
根据f推导出:
i=K0uAB-K1uC (g)
其中:
如图4所示,集成差分运算放大器采用LF347,实现所需的差分放大、积分和乘法运算;集成运算放大器LF347第1、2、3引脚对应的运算放大器、第5、6、7引脚对应的运算放大器、第12、13、14引脚对应的运算放大器和外围电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R13组成差分放大器;集成运算放大器LF347第8、9、10引脚对应的运算放大器和外围元件R11、C2构成积分器;该集成运放中集成了4个运放,其第4个引脚VCC接+12V电源,第11个引脚VEE接-12V电源;第3引脚IN1+接T型电阻网络的的一个端子点A,第5引脚IN2+接T型电阻网络的另一个端子点B;第2引脚和第6引脚之间连接一个可变电阻器R6,用于调节反馈信号的放大倍数;第1引脚和第2引脚间、第6引脚和第7引脚间分别串一个电阻R5、R7;第1引脚和第13引脚间、第7引脚和第12引脚间分别串一个电阻R8、R9;第12引脚串一个电阻R13到地;第13引脚和第14引脚间串一电阻R10;此时,从第14引脚引出的信号即为端口的差模电压信号uo14。对于仪表差分放大器设置R5=R7;R8=R9;R10=R13,LF347第14脚电压:
将集成运放LF347的第14引脚引出的信号分为两路,一路接入模拟乘法器AD633JN的第1个引脚X1+;另一路接入由电阻R12、电容C1构成的高通滤波器中;电阻R12、电容C1构建高通滤波器的输出串一个电阻R11接LF347的第9引脚,第8引脚和第9引脚间串一个电容C2。此时,从第8引脚引出的信号uo8,即对端口输入信号的积分:
将LF347第8引脚输出的积分信号接入模拟乘法器AD633JN的第3引脚Y1+,AD633JN的第2引脚X2-、第4引脚Y2-和第6引脚接地;第5引脚接-12V电源;第8引脚接+12V电源;第7引脚的输出uc接入T型电阻网络中的电阻R3端子点,乘法器输出电压:
uC=uo14uo8=K2K3uAB∫uABdt=K4uAB∫uABdt (j)
把j代入g得:
i=K0uAB-K1uC=(K0-K1K4∫uABdt)uAB (k)
由图4所示的忆阻器仿真器电路获得的伏安关系k,完全实现了忆阻器的理论伏安特性c。
本实用新型所涉集成运放LF347、模拟乘法器AD633JN为现有技术。
本实用新型根据HP实验室TiO2忆阻器的串联型记忆电阻伏安特性,获得了以忆阻器的并联型记忆电导表示的伏安特性,把原本流控型的记忆电阻设计为压控型的记忆电导,利用集成运算电路实现忆阻器特性中的相应运算。
以上对本实用新型的优选实施例及原理进行了详细说明,对本领域的普通技术人员而言,依据本实用新型提供的思想,在具体实施方式上会有改变之处,而这些改变也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种忆阻器仿真器,其特征在于,包括T型电阻网络、差分放大器、高通滤波器、积分器和模拟乘法器,T型电阻网络具有二端口(A、B),差分放大器将T型电阻网络二端口的电压取出进行放大,其输出电压信号分为两路,一路直接送入所述的模拟乘法器,另一路先通过所述的高通滤波器滤除直流电压后送入所述的积分器,积分后的电压信号再送入所述的模拟乘法器,模拟乘法器的输出直接接入所述T型电阻网路的第三个端子。
2.如权利要求1所述的忆阻器仿真器,其特征在于:所述的T型电阻网络包括线性电阻R1、R2、R3,三个电阻采用T型连接,其中,电阻R1、R2的两个端子分别构建所述的二端口(A、B),电阻R2的另一端再通过串联电阻R4接地;电阻R3的一个端子作为反馈信号的接入点即所述的第三个端子。
3.如权利要求2所述的忆阻器仿真器,其特征在于:所述差分放大器采用LF347,差分放大器LF347的第4引脚VCC接+12V电源,第11引脚VEE接-12V电源;第3引脚IN1+接T型电阻网络的的一个端口(A),第5引脚IN2+接T型电阻网络的另一个端口(B);第2引脚和第6引脚之间连接一个可变电阻器R6;第1引脚和第2引脚间、第6引脚和第7引脚间分别串电阻R5、电阻R7;第1引脚和第13引脚间、第7引脚和第12引脚间分别串电阻R8、电阻R9;第12引脚串一个电阻R13到地;第13引脚和第14引脚间串一电阻R10;从第14引脚引出的信号即为所述二端口的差模电压信号。
4.如权利要求3所述的忆阻器仿真器,其特征在于:所述的模拟乘法器采用AD633JN;差分放大器LF347第14引脚引出的信号分为两路,一路接入模拟乘法器AD633JN的第1引脚X1+,另一路接入由电阻R12、电容C1构成的高通滤波器中;电阻R12、电容C1构建高通滤波器的输出串一电阻R11后接入差分放大器LF347的第9引脚,差分放大器LF347的第8引脚和第9引脚间串一电容C2,从第8引脚引出的信号即是对所述二端口输入信号的积分。
5.如权利要求4所述的忆阻器仿真器,其特征在于:所述差分放大器LF347的第8引脚输出的积分信号接入模拟乘法器AD633JN的第3引脚Y1+;模拟乘法器AD633的第2引脚X2-、第4引脚Y2-和第6引脚接地;第5引脚接-12V电源;第8引脚接+12V电源;第7引脚接入所述T型电阻网络中电阻R3的反馈信号接入点。
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