CN107122541A - 一种浮地荷控hp忆阻等效电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮地荷控HP忆阻等效电路，电路包括运算放大器U₁、运算放大器U₂、乘法器U₃、电流传输器U₄、电流传输器U₅以及电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅和电容C₁。其中电阻R₂、R₃和运放U₁相连构成减法运算电路；运放U₂与电容C₁和电阻R₄相连接构成积分电路；乘法器U₃用来实现乘法运算。电流传输器U₄与U₅相连，实现电流的镜像。本发明利用模拟电路实现了一种简化型的浮地HP忆阻的伏安特性，采用阻值较小的电阻，其结构简单，精确度高，误差小，易于实现；而且也通过改变乘法器的输入端口的连接方式可实现增量忆阻与减量忆阻的变换，也与HP忆阻特性更加符合。

Description

一种浮地荷控HP忆阻等效电路

技术领域

本发明涉及一种HP忆阻等效电路，尤其涉及一种浮地荷控HP忆阻等效电路的设计。

背景技术

在自然界和人类社会的各种物理***中，普遍存在记忆效应。具有记忆效应的物理器件或***可视为一种忆阻。忆阻(memristor)是描述电荷(charge)和磁通(magneticflux)关系的实现电路的基本组成元件。

1971年，美国加州大学蔡少棠教授从理论上预测了忆阻元件的存在性，并且提出了忆阻器的概念。2008年，惠普实验室史特科夫等在《自然》上首次报道了忆阻器的实现性，研究成果震惊了国际电工电子技术世界。忆阻器是一种无源器件，因为其消耗能量而不产生能量，不产生功率增益，独特的记忆特性使其能够以非易失方式记忆流经电荷的总量。忆阻器除了具有记忆能力，还可以进行逻辑运算，所以忆阻器在人工智能计算机和模拟神经网络中应用更为广泛，同时也将对电子工程、通信工程等有着很深远的影响。

目前因为HP TiO₂忆阻采用的纳米技术，所以在具体实现和制作上有着很大的困难，并且忆阻器目前还未作为一个实际的元件走向市场，因此设计一种忆阻等效电路并用其替代实际忆阻器进行实验和应用研究是具有很大价值的。

目前虽然有不少的忆阻器等效电路已逐渐被报道，但是大都采用了阻值较大的电阻，会影响忆阻等效电路实现的精确度，结构都较为复杂，而且多以接地形式为主。本发明要解决的技术问题就是提供一种简化的浮地型HP忆阻器等效电路，电路结构简单，使用了较小阻值的电阻，精确度高，并且不受接地限制，可应用于众多实际领域中，具有研究意义与价值。

发明内容

本发明的主要目的是针对现有HP TiO₂忆阻等效电路中使用了阻值较大的电阻，而且会影响忆阻特性的精确度，提供一种简化的浮地荷控HP忆阻等效电路，通过电路来模拟出忆阻器的伏安特性，其具有结构简单，电阻值较小，忆阻特性明显，误差较小，容易实现等优点。

上述目的通过下述的技术方案来实现：

电路包括运算放大器U₁、运算放大器U₂、乘法器U₃、电流传输器U₄、电流传输器U₅以及电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅和电容C₁。

所述电阻R₁的两端标注为A和B端，电阻R₂的两端标注为C和D端，电阻R₃的两端标注为D和E端，电阻R₄的两端标注为E和F端，电阻R₅的两端标注为G和H端，电容C₁的两端标注为G和H端。

所述A端连接输入端V₁，B端与电流传输器U₅的Y端连接，C端与乘法器U3的W端连接，运放U₁的X端与A端相连接，运放U₁的Y端与D端相连接，运放U₁的输出端Z与E端连接，整体构成一个减法器。

所述运放U₂的正输入X端与A端连接，运放U₂的负输入Y端与F端连接，运放U₂的输出端Z端与电容C₁的H端连接，电容C₁的G端与运放U₂的负输入Y端连接。

所述乘法器U₃的X1端与运放U₁的正输入X端连接，Y1端与运放U₂的输出端Z连接，X2、Y2和Z端与地连接，乘法器U₃的输出端W端连接电流传输器U₄的正输入端X。

所述电流传输器U₄的Z端与电流传输器U₅的Z端连接，U₄、U₅的W端和U₅的X端都与地连接，电流传输器U₄的Y端连接输入端V₂。

电阻R₁、R₂、R₃和R₄的阻值相等。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明设计了一种简化的浮地荷控HP忆阻等效电路，不需要阻值较大的电阻，电路结构简单，也易于构建，而且使用小电阻提高忆阻等效的精确度。

2、使用一个运放和两个电阻，构造了一个简单的减法器电路，其结构简单。在构建积分电路时，在电容上并联一个阻值较大的电阻，提高了积分精度，同时也避免了电压漂移。

3、整体忆阻等效电路的实现思路较为清晰，容易实现，经过简单变换可以分别实现增量忆阻与减量忆阻，与HP忆阻特性更加相符。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施方案并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明电路结构示意图。

图2是减量忆阻乘法器的连接示意图。

图3是该忆阻等效电路两输入端加正弦波时的U-I特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明电路就是设计一种模拟电路实现HP TiO₂忆阻模型所描述的运算。

如图1所示，该等效电路包括运放U₁、运放U₂、电流传输器U₄和U₅、乘法器U₃以及电阻R₁、R₂、R₃、R₄和R₅、电容C₁。运放U₁的X端连接输入端V₁，运放U₁的Y端连接电阻R₂的D端。根据运放的特性，V_X＝V_Y＝V_D＝V₁。电阻R₂的C端连接电流传输器U₄的X端，电流传输器U₄的Y端连接输入端V₂。根据电流传输器的特性，U₄的X端电压和Y端电压相等，所以电阻R₂的C端的电压为V₂。因为电阻R₂和R₃阻值相等，所以R₂和R₃上的电流相等，即i₂＝i₃。因为U₁的输出端Z端连接R₃的E端，所以对于运放U₁端口的电压有如下关系：

电阻R₄的E端连接运放U₁的Z端，F端与运放U₂的Y端连接。因为运放U₂的X端与输入端V₁相连，所以F端的电压等于V₁。所以电阻R4上的电流i₄＝(v_Z1–V₁)/R₄＝(V₁–V₂)/R₄。因为R₅、C₁和运放U₂构成了一个积分器，所以输出端Z端的电压v_Z2关系有如下表示：

乘法器的X1端与输入端V₁相连接，Y1端与运放U₂的输出端Z连接，X2端、Y2端和Z端都接地，所以乘法器的输出端W的电压有如下表示：

其中，是穿过端点1和2的磁通量。

电流传输器U₄的X端连接乘法器U₃的输出端W端，根据电流传输器的特性，所以U₄的Y端的电压等于X端的电压，又因为U₃的Y端与输入端V₂连接，所以V₂＝v_W。

电阻R₁的A端连接输入端V₁，B端连接电流传输器U₅的Y端，所以输入电流i_in＝i₁＝V₁/R₁。因为电流传输器U5的Z端与电流传输器U4的Z端连接，根据电流传输器的特性，电流传输器U5的Z端的电流等于Y端的电流，电流传输器U4的Z端的电流等于U5的Z端口的电流，所以有

i_in＝i_Y5＝i_Z5＝i_Z4＝i_Y4 (4)

可见，流进该忆阻等效电路的电流和流出电流都为i_in，实现了浮地特性；而且等效电路的端口电压v为

所以该等效电路阻值为

因为HP TiO₂忆阻的基本模型为

M(t)＝R_OFF[1-kq(t)] (7)

而此发明的等效电路的阻值可以表示为

对比式(7)和式(8)，令R₁＝R_OFF，k＝–1/10C₁那么两个表达式是一致的，说明该等效电路实现了HP忆阻器的V-I特性，且为HP增量忆阻的特性。

需要特别说明的是，k值的正负可通过根据乘法器的特性，如图2所示的接法，可实现负的k值，即实现减量忆阻特性。

图3为在等效电路两端加入幅度为2V，频率20Hz的正弦波，得到的V-I特性曲线图，符合忆阻器的电气特性。

本发明设计了一种简化型的浮地HP忆阻模拟等效电路，该模拟电路仅含有两个运放、两个电流传输器、一个乘法器以及五个电阻、一个电容。电路采用小电阻，易于实现，结构简单，避免使用阻值偏大的电阻的，提高了忆阻特性的精确度。同时通过使用一个运放和两个电阻实现减法运算，结构简单，且积分精度高。同时该电路设计思路清晰，改变乘法器输入端口的连接方式可实现增量忆阻与减量忆阻的变换，也与HP忆阻特性更加符合。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的其他技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变动或改进。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。

Claims (3)

1.一种浮地荷控HP忆阻等效电路，其特征在于：电路包括运算放大器U₁、运算放大器U₂、乘法器U₃、电流传输器U₄、电流传输器U₅以及电阻R₁、R₂、R₃、R₄、R₅和电容C₁。

2.根据权利要求1所述的所述一种简化型浮地HP忆阻等效电路，其特征在于电阻R₁的两端标注为A和B端，电阻R₂的两端标注为C和D端，电阻R₃的两端标注为D和E端，电阻R₄的两端标注为E和F端，电阻R₅和电容C₁的两端都标注为G和H端。

3.根据权利要求1或2所述的一种简化型浮地HP忆阻等效电路，所述A端连接输入端V₁，B端与电流传输器U₅的Y端连接，C端与乘法器U3的W端连接，运放U₁的X端与A端相连接，运放U₁的Y端与D端相连接，运放U₁的输出端Z与E端连接，整体构成一个减法器。所述运放U₂的正输入X端与A端连接，运放U₂的负输入Y端与F端连接，运放U₂的输出端Z端与电容C₁的H端连接，电容C₁的G端与运放U₂的负输入Y端连接。所述乘法器U₃的X1端与运放U₁的正输入X端连接，Y1端与运放U₂的输出端Z连接，X2、Y2和Z端与地连接，乘法器U₃的输出端W端连接电流传输器U₄的正输入端X。所述电流传输器U₄的Z端与电流传输器U₅的Z端连接，U₄、U₅的W端和U₅的X端都与地连接，电流传输器U₄的Y端连接输入端V₂。