CN206892867U - 一种基于无源滤波和桥式整流的忆阻器等效实现电路 - Google Patents

一种基于无源滤波和桥式整流的忆阻器等效实现电路 Download PDF

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丘东元
张书洋
谭斌冠
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Abstract

本实用新型公开了一种基于无源滤波和桥式整流的忆阻器等效实现电路，由第一级模块和第二级模块组成，所述第一级模块为由无源滤波电路构成的二端口网络，所述第二级模块为由桥式整流电路及其负载构成的单端口网络，所述第一级模块和第二级模块级联连接，该两个模块级联之后等效为一个单端口网络，其端口阻抗特性即可等效为一个忆阻器，同时该单端口网络的两个输入端子即为第一级模块的两个输入端子，分别与电压源的正端和负端相连。本实用新型仅仅使用了电感、电阻和二极管等元器件，电路结构简单，易于实现，所用电路元件少，成本低。本实用新型相比传统型，能够适用各种功率环境，包括大功率应用电路环境。

Description

一种基于无源滤波和桥式整流的忆阻器等效实现电路
技术领域
本实用新型涉及电力电子的技术领域，尤其是指一种基于无源滤波和桥式整流的忆阻器等效实现电路。
背景技术
忆阻器是由华裔科学家蔡少棠提出的一种具有记忆特性的基本元件，分为磁控忆阻器和荷控忆阻器，其中磁控忆阻器的定义式为：
i＝g(x,v)v (1)
式中，v为输入电压，i为输入电流，x表示状态变量，g表示电压和电流的函数关系，f为状态变量和电压的函数关系。
它基本特性为，当输入正弦波信号时，忆阻器的伏安特性曲线为一个“斜八字”。
忆阻器的理论模型被提出至今,暂时还没有找到对应的实物。2008年HP公司利用TiO2和TiO2-x薄膜制造了忆阻器实物模型，但是该实物为纳米级别，极大地限制了其在实际电路中的应用。
通过忆阻器的等效实现电路，可以方便科研人员在实验室环境下观察忆阻器的电学特性，并为其应用电路提供可用的实物模型。但是现在所提出的忆阻器等效电路模型大多采用运算放大器等信号器件搭建而成，这样的电路存在结构复杂，耐压能力较低等问题。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种基于无源滤波和桥式整流的忆阻器等效实现电路，该电路结构简单，所用器件少，为忆阻器的应用研究提供了可实现的等效电路，也为忆阻器的内部机理研究提供了全新的视角。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种基于无源滤波和桥式整流的忆阻器等效实现电路，由第一级模块和第二级模块组成，所述第一级模块为由无源滤波电路构成的二端口网络，所述第二级模块为由桥式整流电路及其负载构成的单端口网络，所述第一级模块和第二级模块级联连接，该两个模块级联之后等效为一个单端口网络，其端口阻抗特性即可等效为一个忆阻器；其中，所述无源滤波电路由电阻和电感构成，所述电阻的一端与电感的一端相连作为第一级模块的一个输入端子，所示电感的另一端作为第一级模块的一个输出端子，所述电阻的另一端作为第一级模块的的另一输入端子，同时也作为第一级模块的的另一输出端子；所述桥式整流电路为由四个二极管构成的单相桥式整流电路，该四个二极管分别为第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，所述第一二极管的正端与第二二级管的负端相连作为第二级模块的一个输入端子，所述第一二极管的负端和第三二极管的负端与负载的一端相连，所述第二二极管的正端和第四二极管的正端与负载的另一端相连，所述第三二级管的正端与第四二极管的负端相连作为第二级模块的另一个输入端子；所述第一级模块与第二级模块级联相连，即第一级模块的两个输出端子分别与第二级模块的两个输入端子相连，该两个模块级联之后等效为一个单端口网络，该单端口网络的两个输入端子即为第一级模块的两个输入端子，分别与电压源的正端和负端相连。
所述负载为纯电阻性负载或电容和电阻并联连接的容性负载。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本实用新型利用二极管的转移特性和电感的滤波特性，使其符合忆阻器的特性。
2、本实用新型仅仅使用了电感、电阻和二极管等元器件，电路结构简单，易于实现，所用电路元件少，成本低。
3、本实用新型相比传统型，能够适用各种功率环境，包括大功率应用电路环境。现有的基于集成运放构造的忆阻器等效实现电路模型由于受到运放本身功率级别的限制，所能处理的信号功率较小。基于二极管和电感、电容、电阻等无源元件实现忆阻功能的简单电路原理上可适用任意功率等级的应用电路。
附图说明
图1为本实用新型的忆阻器等效实现电路的结构框图。
图2为本实用新型的忆阻器等效实现电路的电路原理图。
图3为本实用新型的忆阻器等效实现电路的电路仿真图。
图4为本实用新型的忆阻器等效实现电路的伏安特性曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
参见图1和图2所示，本实施例所提供的基于无源滤波和桥式整流的忆阻器等效实现电路，由第一级模块和第二级模块组成，所述第一级模块为由无源滤波电路构成的二端口网络，所述第二级模块为由桥式整流电路及其负载构成的单端口网络，所述负载可以为纯电阻性负载，也可以为电容和电阻并联连接的容性负载，而在本实施例中优选纯电阻性负载R2；所述第一级模块和第二级模块级联连接，该两个模块级联之后等效为一个单端口网络，其端口阻抗特性即可等效为一个忆阻器；其中，所述无源滤波电路由电阻R1和电感L构成，所述电阻R1的一端与电感L的一端相连作为第一级模块的一个输入端子1-1，所示电感L的另一端作为第一级模块的一个输出端子1-2，所述电阻R1的另一端作为第一级模块的的另一输入端子1-1'，同时也作为第一级模块的的另一输出端子1-2'；所述桥式整流电路为由四个二极管D1、D2、D3、D4构成的单相桥式整流电路，该四个二极管分别为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，所述第一二极管D1的正端与第二二级管D2的负端相连作为第二级模块的一个输入端子2-1，所述第一二极管D1的负端和第三二极管D3的负端与负载R2的一端相连，所述第二二极管D2的正端和第四二极管D4的正端与负载R2的另一端相连，所述第三二级管D3的正端与第四二极管D4的负端相连作为第二级模块的另一个输入端子2-1'；所述第一级模块与第二级模块级联相连，即第一级模块的两个输出端子1-2和1-2'分别与第二级模块的两个输入端子2-1和2-1'相连，该两个模块级联之后等效为一个单端口网络，该单端口网络的两个输入端子即为第一级模块的两个输入端子1-1和1-1'，分别与电压源的正端和负端相连。
根据电路理论，二极管Dn所加端电压vDn与流过它的电流iDn的关系为：
上述公式中，vDn表示二极管Dn两端的电压，iDn表示流过二极管Dn的电流，Is表示反向饱和电流，UT为温度的电压当量，在常温下其值为26mV。
给定正弦输入电压vin，由于正负半周期的情况一致，所以这里只分析输入电压正半周期的情况。在电压的正半周期，二极管D1和D4导通，D2和D3关断。根据基尔霍夫电压定律，vin，电感L，二极管D1，二极管D4和电阻R2构成一个回路。它们的关系式为：
上式中，iL为流过滤波电感L的电流，vR2为负载电阻R2上的电压，vD1、vD4为二极管D1、D4两端的电压。假设所有二极管的特性一致，当D1和D4导通时，流过两个二极管上电流相等，其两端电压也相等，即令vD1＝vD4，所以有：
由式(3)可得二极管D1两端电压vD和流过其中电流iD之间的关系可表示为：
由于iD1＝iL，并将(6)代入(5)，得到：
上式中iL为状态变量，(7)式为本电路的状态变量方程。
考虑到本电路的输入变量方程有：
式中i为本实用新型电路的入端电流。由式(5)可以得到：
将(9)代入(3)，并同样考虑iD1＝iL，得到：
公式(10)两边同时除以vin，得到：
将(11)代入(8)得到：
公式(7)、(12)分别忆阻***的定义式(1)、(2)对应。所以本电路符合忆阻***的定义。
参见图3所示，为本实施例上述忆阻器等效实现电路的电路仿真图。此处给定输入电压为正弦波电容参数设置为L＝10mH，C＝5uF，两个电阻均为1kΩ。此时以输入电压为横轴，输入电流为纵轴，测量出输入端口的伏安特性曲线如图4所示，从图4中可以看出，其伏安特性曲线呈现典型的斜“8”字型，符合忆阻器的伏安特性曲线的特点。
以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于无源滤波和桥式整流的忆阻器等效实现电路，其特征在于：由第一级模块和第二级模块组成，所述第一级模块为由无源滤波电路构成的二端口网络，所述第二级模块为由桥式整流电路及其负载构成的单端口网络，所述第一级模块和第二级模块级联连接，该两个模块级联之后等效为一个单端口网络，其端口阻抗特性即可等效为一个忆阻器；其中，所述无源滤波电路由电阻和电感构成，所述电阻的一端与电感的一端相连作为第一级模块的一个输入端子，所示电感的另一端作为第一级模块的一个输出端子，所述电阻的另一端作为第一级模块的的另一输入端子，同时也作为第一级模块的的另一输出端子；所述桥式整流电路为由四个二极管构成的单相桥式整流电路，该四个二极管分别为第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，所述第一二极管的正端与第二二级管的负端相连作为第二级模块的一个输入端子，所述第一二极管的负端和第三二极管的负端与负载的一端相连，所述第二二极管的正端和第四二极管的正端与负载的另一端相连，所述第三二级管的正端与第四二极管的负端相连作为第二级模块的另一个输入端子；所述第一级模块与第二级模块级联相连，即第一级模块的两个输出端子分别与第二级模块的两个输入端子相连，该两个模块级联之后等效为一个单端口网络，该单端口网络的两个输入端子即为第一级模块的两个输入端子，分别与电压源的正端和负端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于无源滤波和桥式整流的忆阻器等效实现电路，其特征在于：所述负载为纯电阻性负载或电容和电阻并联连接的容性负载。
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