一种多稳态磁控忆阻器等效模拟电路的制作方法

本发明属于电路设计技术领域，具体涉及一种多稳态磁控忆阻器等效模拟电路。

背景技术：

忆阻器继电阻、电容和电感后的第四个基本电路元件，它描述了磁通和电荷之间关系，并且具有其他三种基本电路元件任意组合都不能复制的特性，它是一种具有记忆功能的非线性电阻。chua在1971年根据电路基本变量组合完备性定理从理论上预测了忆阻元件的存在性，直到2008年惠普实验室才第一次做出了实物tio2忆阻器。忆阻器可以记忆流经它的电荷数量，这就使它成为天然的非挥发性存储器，忆阻器的出现使得集成电路元件变得体积小并且便于携带，与此同时忆阻器也被广泛应用于神经网络、电子工程和通讯工程等领域。但是，由于纳米技术具有高成本和实现困难的缺点，实物忆阻器还没有作为实际元件走向市场；即使是忆阻器商用化以后，也是以大规模集成电路的形式存在，很难有单独分离的纳米级忆阻器可以利用。因此，利用等效模拟电路代替实物忆阻器，并且利用其进行电路设计和应用具有广泛而深远的意义。

目前，报道的忆阻器仿真模型有pspice仿真模型、模拟忆阻器的硬件等效电路，一方面这两类忆阻器模型原理复杂、难以在实际中实现；另一方面这两类忆阻器难以精确模拟实际忆阻器的特性。因此，设计一种原理简单、易于实现以及精确程度高的忆阻器等效电路具有重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种多稳态磁控忆阻器等效模拟电路，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多稳态磁控忆阻器等效模拟电路，包括电阻网络、电压跟随器、反相积分器、反相比例器和乘法器；

电压跟随器，被配置为用于实现输出电压与输入电压相等；

反相积分器，被配置为用于实现对输入电压进行积分运算；

反相比例器，被配置为用于实现输出电压与输入电压是比例运算关系并且成反相；

乘法器，被配置为用于实现两个输入信号的相乘；

该多稳态磁控忆阻器等效模拟电路包括两个闭环电路；其中，电阻网络、电压跟随器u1、第一反相比例器u2、反相积分器u3、第一乘法器ua1、第二乘法器ua2、第二反相比例器u5通过线路依次连接组成第一闭环电路；电阻网络、电压跟随器u1、第三反相比例器u4、第二乘法器ua2、第二反相比例器u5通过线路依次连接组成第二闭环电路；

其中，电阻网络包括电阻r11，电阻r11的一端与电压跟随器u1的第3引脚连接作为输入端，另一端与第三反相比例器u4的第6引脚连接作为输出端。

电阻网络的输入端连接电压跟随器u1的第3引脚，电压跟随器u1的第2引脚与第6引脚短接，且其第3引脚与第一电阻r1的一端通过线路连接第一反相比例器u2的第2引脚，其第4引脚接电源vee，第7引脚接电源vcc，第1引脚和第8引脚悬空；第一反相比例器u2的第6引脚通过第二电阻r2与其第2引脚连接，且其第6引脚还通过第三电阻r3与反相积分器u3的第2引脚连接，其第3引脚接地，第4引脚接电源vee，第7引脚接电源vcc，第1引脚和第8引脚悬空；反相积分器u3的第2引脚通过第四电阻r4与第一电容c1组成的并联电路与第6引脚连接，且第6引脚还连接第一乘法器ua1的x1引脚，其第3引脚接地，第4引脚接电源vee，第7引脚接电源vcc，第1引脚和第8引脚悬空；第一乘法器ua1的y1引脚与电压跟踪器u1第六引脚连接，其x2引脚和y2引脚接地，vs+引脚接电源vcc的同时通过第二电容c2与地连接，vs-引脚接电源vee的同时通过第三电容c3与地连接，z引脚接地，w引脚与第二乘法器ua2的第x1引脚连接；第二乘法器ua2的y1引脚通过第十电阻r10接第二反相比例器u5第2引脚，并且连接第二反相比例器u5第6引脚，其x2引脚和y2引脚接地，其vs+引脚接电源vcc的同时通过第四电容c4与地连接，其vs-引脚接电源vee的同时通过第五电容c5与地连接，其z引脚接地，其w引脚通过第六电阻r6连接第三反相比例器u4的第2引脚；第二反相比例器u5的第2引脚通过第九电阻r9与第十电阻r10的并联电路连接，其第3引脚接地，其第6引脚通过第八电阻r8与第三反相比例器u4第二引脚连接，且与第二乘法器ua2的y1引脚连接，其第4引脚接电源vee，其第7引脚接电源vcc，其第1引脚和第8引脚悬空；第三反相比例器u4的第2引脚通过第六电阻r6与第二乘法器ua2的w引脚连接，其第6引脚作为该电路的输出端通过第五电阻r5与积分器u3的第6引脚连接，且通过第七电阻r7与第2引脚连接，以及通过第11电阻r11连接输入端，其第4引脚接电源vee，第3引脚接地，第7引脚接电源vcc，第1引脚和第8引脚悬空。

作为进一步的改进方案，电压跟随器u1、反相积分器u3、第一反相比例器u2、第二反相比例器u5和第三反相比例器u4均采用op07cp芯片。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明设计了一种能够实现广义忆阻器伏安特性的模拟等效电路，该模拟电路含5个运算放大器和2个乘法器，结构简单，可代替实际广义忆阻器实现与忆阻器相关的电路设计、实验及应用，对忆阻器的特性和应用研究具有重要的意义。

本发明设计的实现忆阻器的模拟电路，其利用模拟电路实现广义忆阻器伏安特性，具体实现了广义忆阻器伏安特性。本发明利用集成运算电路实现忆阻器特性中的相应运算，其中，电压跟随器用于实现输出电压与输入电压相等，反相积分器用于实现对输入电压进行积分运算，反相比例器用于实现输出电压与输入电压是比例运算关系，并且成反相；乘法电路用于实现来自两端输入信号的相乘。

附图说明

图1是本发明的电路结构框图。

图2是本发明多稳态磁控忆阻器等效模拟电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明的理论出发点是广义忆阻器的定义表达式：

如图1所示，一种多稳态磁控忆阻器等效模拟电路，包括电阻网络、电压跟随器、反相积分器、反相比例器、运算放大器和乘法器；

电压跟随器，被配置为用于实现输出电压与输入电压相等；

反相积分器，被配置为用于实现对输入电压进行积分运算；

反相比例器，被配置为用于实现输出电压与输入电压是比例运算关系并且成反相；包括第一反相比例器u2和第三反相比例器u4；

乘法器，被配置为用于实现将两个输入端的信号相乘；包括第一乘法器ua1和第二乘法器ua2。

如图2所示，电阻网络包括电阻r11，电阻r11的一端与电压跟随器u1的第3引脚连接作为输入端，电阻r11的另一端与第三反相比例器u4的第6引脚连接作为输出端；

电压跟随器u1的第2引脚与第6引脚短接，且其第3引脚与第一电阻r1的一端通过线路连接第一反相比例器u2的第2引脚，其第4引脚接电源vee，第7引脚接电源vcc，第1引脚和第8引脚悬空；第一反相比例器u2的第6引脚通过第二电阻r2与其第2引脚连接，且其第6引脚还通过第三电阻r3与反相积分器u3的第2引脚连接，其第3引脚接地，第4引脚接电源vee，第7引脚接电源vcc，第1引脚和第8引脚悬空；反相积分器u3的第2引脚通过第四电阻r4与第一电容c1组成的并联电路与第6引脚连接，且第6引脚还连接第一乘法器ua1的x1引脚，其第3引脚接地，第4引脚接电源vee，第7引脚接电源vcc，第1引脚和第8引脚悬空；第一乘法器ua1的y1引脚与电压跟踪器u1第六引脚连接，其x2引脚和y2引脚接地，vs+引脚接电源vcc的同时通过第二电容c2与地连接，vs-引脚接电源vee的同时通过第三电容c3与地连接，z引脚接地，w引脚与第二乘法器ua2的第x1引脚连接；第二乘法器ua2的y1引脚通过第十电阻r10接第二反相比例器u5第2引脚，并且连接第二反相比例器u5第6引脚，其x2引脚和y2引脚接地，其vs+引脚接电源vcc的同时通过第四电容c4与地连接，其vs-引脚接电源vee的同时通过第五电容c5与地连接，其z引脚接地，其w引脚通过第六电阻r6连接第三反相比例器u4的第2引脚；第二反相比例器u5的第2引脚通过第九电阻r9与第十电阻r10的并联电路连接，其第3引脚接地，其第6引脚通过第八电阻r8与第三反相比例器u4第二引脚连接，且与第二乘法器ua2的y1引脚连接，其第4引脚接电源vee，其第7引脚接电源vcc，其第1引脚和第8引脚悬空；第三反相比例器u4的第2引脚通过第六电阻r6与第二乘法器ua2的w引脚连接，其第6引脚作为该电路的输出端通过第五电阻r5与积分器u3的第6引脚连接，且通过第七电阻r7与第2引脚连接，以及通过第11电阻r11连接输入端，其第4引脚接电源vee，第3引脚接地，第7引脚接电源vcc，第1引脚和第8引脚悬空。

作为优选的实施方案，电压跟随器u1、反相积分器u3、第一反相比例器u2、第二反相比例器u5和第三反相比例器u4均采用op07cp芯片。

在上述技术方案中，电压跟随器u1的第3引脚的输出电压v13与连接输入端的电压vin相等：

v13＝vin(2)；

电压跟随器u1用以实现输入电压vin的无电流、无衰减传输，即电压跟随器u1的第6引脚v16为：

v16＝v13＝vin(3)；

第一反相比例器u2的输出值与输出值之间存在反比的关系，故

v26＝-v16＝-vin(4)；

反相积分器u3用以实现对输入电流的积分，定义反相积分器u3引脚6的电压v36为忆阻器的状态变量x，则可得到下式：

v36＝x(5)；

若取r4远大于r3，则

第一乘法器ua1的x1引脚接积分器u3的第6引脚，其y1引脚与电压跟踪器u1第六引脚连接，其x2引脚和y2引脚接地，其vs+引脚接电源vcc的同时通过第二电容c2与地连接，其vs-引脚接电源vee的同时通过第三电容c3与地连接，其z引脚接地，其w引脚与第二乘法器ua2的第x1引脚连接，即第一乘法器ua1的w脚输出电压v1w为：

v1w＝v16·v36＝xvin(8)；

第二反相比例器u5中的第九电阻r9与第十电阻r10阻值相等，可以实现输入电压vin0的反相跟随，即第二反相比例器u5的第6引脚电压v36为：

第二乘法器ua2的x1引脚接第一乘法器ua1的w引脚，其y1引脚通过第十电阻r10接第二反相比例器u5第2引脚，并且连接第二反相比例器u5第6引脚，其x2引脚和y2引脚接地，其vs+引脚接电源vcc的同时通过第四电容c4与地连接，其vs-引脚接电源vee的同时通过第五电容c5与地连接，其z引脚接地，其w引脚通过第六电阻r6连接第三反相比例器u4的第2引脚；即第一乘法器ua1的w引脚输出电压v2w为：

v2w＝v56·v1w＝-xvin²(10)；

第三反相比例器u4，用于实现输出于输入的比例放大关系，并且成反相。第二第三反相比例器u4的第6引脚电压v46为：

如图2所示，设流经第一电阻r1的电流为i(t)，第一电阻r1两端的伏安特性为：

令r7＝r8，则等式12可变换为：

忆阻器等效电路的内部状态变量方程如下：

综上，忆阻器等效电路的表达式为：

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。