一种四值忆阻器仿真器的实现电路的制作方法

本发明属于电路设计技术领域，涉及一种四值忆阻器仿真器，具体涉及一种四值忆阻器的数学模型和仿真器的设计与实现。

背景技术

四值忆阻器是对于记忆器件二值忆阻器的一种扩展，此类忆阻器可使忆阻器稳定到四种不同的平衡状态，可应用于多值数字逻辑电路、忆阻神经网络、非易失性存储、复杂混沌系统之中。为了对多值忆阻器进行预先研究，设计一种四值忆阻器仿真器便有了非常重要的意义。

目前，虽然已有大量二值忆阻器模型被提出，但其应用范围具有很大的局限性。本发明提出的四值忆阻器是继二值忆阻器之后的扩展类型，具有更为灵活的非易失性功能。由于目前还缺乏多值忆阻器的概念和模型，还处于初步的理论分析和建模研究状态。因此，迫切需要设计实现多值忆阻器的仿真器，并用电路模型代替实际多值忆阻器应用于电路实验中，这也对忆阻器的分析研究有非常重要的意义。

技术实现要素：

针对现有二值忆阻器存在的上述不足，本发明提出了一种四值忆阻器数学模型和基于该数学模型的仿真器电路，用以模拟四值忆阻器的伏安特性，替代实际忆阻器进行电路设计和应用。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

本发明包括状态变量产生电路和测量端口电路，状态变量产生电路由集成运算放大器u1和乘法器u2、u3、u6、u7、u8、u9、u10、u11组成，产生的状态变量x作为四值忆阻器仿真器电路的忆导控制输入信号，集成运算放大器u1用于实现积分运算、加法运算和反相放大运算。测量端口电路由集成运算放大器u1和乘法器u4、u5构成，集成运算放大器u1用于加法运算，得到需要的控制信号，乘法器u4、u5实现将控制信号和输入的电压信号相乘，得到最终的四值忆阻器电流量。

所述的集成运算放大器u1的第1引脚与第一电阻r1的一端连接，第2引脚与第一电阻r1的另一端、第二电阻r2的一端、第三电阻r3的一端、第四电阻r4的一端连接，第3、5引脚接地，第4引脚接电源vcc，第6引脚与第五电阻r5的一端、第六电阻r6的一端、第七电阻r7的一端、第八电阻r8的一端、第九电阻r9的一端、第十电阻r10的一端、第十一电阻r11的一端、第十二电阻r12的一端、第十三电阻r13的一端和第一电容c1的一端连接，第7引脚与第一电容c1的另一端连接，第8引脚与第一电阻r14的一端连接，第9引脚与第十四电阻r14的另一端、第十五电阻r15的一端连接，第10、12引脚接地，第11引脚接vee，第13引脚与第十七电阻r17的一端和第十六电阻r16的一端连接，第14引脚与第十六电阻r16的另一端连接，第十五电阻r15的另一端为状态变量x，第十二电阻r12为忆阻器电压的输入端，u1的第1引脚为忆阻器电流的输出端。

所述的乘法器u2的第7引脚与乘法器u3的第1及第3引脚、乘法器u4的第3引脚连接，乘法器u3的第7引脚与第八电阻r8的另一端、第十七电阻r17的另一端连接，乘法器u5的第7引脚与第二电阻r2的另一端连接，乘法器u6的第7引脚与第五电阻r5的另一端连接，乘法器u7的第7引脚与第十三电阻r13的另一端连接，乘法器u8的第7引脚与乘法器u9的第1引脚、第十电阻r10的另一端连接，乘法器u9的第7引脚与乘法器u6的第3引脚、第九电阻r9的另一端连接，乘法器u10的第7引脚与乘法器u11的第1引脚、第七电阻r7的另一端连接，乘法器u9的第7引脚与第九电阻r9的另一端连接。乘法器u2的第1引脚作为状态变量输出端并与乘法器u8的第3引脚、u9的第3引脚、u10的第1引脚、u11的第3引脚、第十一电阻r11的另一端、第十五电阻r15的另一端、第一电容c1的另一端连接。

所述乘法器的第2、4、6引脚接地，第5引脚接电源vee，第8引脚接电源vcc。

本发明设计了一种四值忆阻器仿真器电路，该模拟电路含有1个集成运算放大器芯片和11个乘法器，结构简单，在之前二值忆阻器件的基础上，扩展了忆阻器的类型及功能，可代替实际器件实现四值忆阻器相关的电路设计、实验及应用，对多值忆阻器的特性和应用研究具有重要的实际意义。

本发明设计的四值忆阻器仿真器电路，具体实现了四值忆阻器的伏安特性变化。本发明利用集成运算放大器和模拟乘法器电路实现忆阻器特性中的相应运算，其中，集成运算放大器主要用于实现状态变量的积分运算、电压反向放大和加法运算，模拟乘法器用于实现电压与忆导控制函数的乘积运算。

附图说明

图1是本发明的数学模型原理图；

图2是本发明的仿真器电路框图；

图3是本发明的仿真器电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。

本发明的理论出发点是四值忆阻器的伏安特性的数学表达式：

i和u表示四值忆阻器的电流与电压，x表示四值忆阻器的变量状态。

如图1所示，四值忆阻器在断电(u＝0)后，其平衡点有七个：q1(-1,0)、q2(-0.5,0)、q3(0,0)、q4(0.5,0)、q5(0.8,0)、q6(1,0)、q7(1.5,0)。根据动力学轨迹可知，q1、q3、q5和q7为渐近稳定的平衡点，而q2、q4和q6为不稳定的平衡点，因而得到四种稳定的平衡状态，即x(q1)＝-1,x(q3)＝0,x(q5)＝0.8,x(q7)＝1.5，对应四种稳定的忆导值w(x(q1))＝-5，w(x(q3))＝-5，w(x(q5))＝-5.2304，w(x(q1))＝-2.1875，据此得到四值忆阻器的数学模型。

如图2所示，本实例中的四值忆阻器仿真器电路包括集成运算放大器u1、乘法器u2、u3、u4、u5、u6、u7、u8、u9、u10、u11和少量电阻、电容，集成运算放大器u1主要实现积分运算、加法运算和反相放大运算；乘法器u2-u11实现两个信号的相乘运算。u1采用lm324，u2-u11采用ad633，lm324、ad633均为现有技术。

如图3所示，集成运算放大器u1内集成了4个运算放大器，其中第1、2、3引脚对应的运算放大器，与外围第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4构成反相加法运算电路，用以实现四值忆阻器电压量与其状态变量函数的乘积运算，即u1的引脚1的电流im(t)。

此为四值忆阻器仿真器电路的电压与电流特性，其中，a、b代表含义在下面介绍。

集成运算放大器u1的第5、6、7引脚对应的运算放大器，与外围第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第一电容c1构成简化反相加法及积分运算放大器，输入的电压为u(t)通过第十二电阻r12输入到集成运算放大器u1的第6引脚，来获得忆阻器的状态变量x。

此为四值忆阻器状态变量函数电路，与上式得到的电压-电流关系函数联立即可得到四值忆阻器的模型，其中c在下文中会提及。

集成运算放大器u1的第8、9、10引脚对应的运算放大器与第十四电阻r14、第十五电阻r15构成反相电路，用于实现u1的引脚8的电压反相增益，u1引脚9的电压为u15(t)。

集成运算放大器u1的第12、13、14引脚对应的运算放大器与第十六电阻r16、第十七电阻r17构成反相电路，用于实现u1的引脚14的电压反相增益，u1引脚13的电压为u17(t)。

乘法器u2-u11的型号为ad633，用于实现输入信号的乘积运算。

集成运算放大器u1的第1引脚与第一电阻r1的一端连接，第2引脚与第一电阻r1的另一端、第二电阻r2的一端、第三电阻r3的一端、第四电阻r4的一端连接，第3、5引脚接地，第4引脚接电源vcc，第6引脚与第五电阻r5的一端、第六电阻r6的一端、第七电阻r7的一端、第八电阻r8的一端、第九电阻r9的一端、第十电阻r10的一端、第十一电阻r11的一端、第十二电阻r12的一端、第十三电阻r13的一端和第一电容c1的一端连接，第7引脚与第一电容c1的另一端连接，第8引脚与第一电阻r14的一端连接，第9引脚与第十四电阻r14的另一端、第十五电阻r15的一端连接，第10、12引脚接地，第11引脚接vee，第13引脚与第十七电阻r17的一端和第十六电阻r16的一端连接，第14引脚与第十六电阻r16的另一端连接，第十五电阻r15的另一端为状态变量x，第十二电阻r12为忆阻器电压的输入端，u1的第1引脚为忆阻器电流的输出端。

乘法器u2的第7引脚与乘法器u3的第1及第3引脚、乘法器u4的第3引脚连接，乘法器u3的第7引脚与第八电阻r8的另一端、第十七电阻r17的另一端连接，乘法器u5的第7引脚与第二电阻r2的另一端连接，乘法器u6的第7引脚与第五电阻r5的另一端连接，乘法器u7的第7引脚与第十三电阻r13的另一端连接，乘法器u8的第7引脚与乘法器u9的第1引脚、第十电阻r10的另一端连接，乘法器u9的第7引脚与乘法器u6的第3引脚、第九电阻r9的另一端连接，乘法器u10的第7引脚与乘法器u11的第1引脚、第七电阻r7的另一端连接，乘法器u9的第7引脚与第九电阻r9的另一端连接。乘法器u2的第1引脚作为状态变量输出端并与乘法器u8的第3引脚、u9的第3引脚、u10的第1引脚、u11的第3引脚、第十一电阻r11的另一端、第十五电阻r15的另一端、第一电容c1的另一端连接。

乘法器u2、u3、u4、u5、u6、u7、u8、u9、u10和u11的第2、4、6引脚接地，第5引脚接电源vee，第8引脚接电源vcc，第1引脚、第3引脚和第7引脚分别是乘法器的输入和输出端。

本领域的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来验证本发明，而并非作为对本发明的限定，只要是在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落在本发明的保护范围内。