一种基于数字电位器的忆阻器仿真器电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于新型电路器件领域，涉及一种基于数字电位器的忆阻器仿真器电 路。
【背景技术】
[0002] 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。忆阻器最早由Chua在1971年提出，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Ti02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困难 和高成本，忆阻器目前还未作为一个实际的元件走向市场，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应用研究具有重要意义；即使忆阻器商用化以后，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Ti02忆阻器进行应用电路设计将具有长远的意义与价值。
[0003] 目前虽已报导了一些惠普Ti02忆阻器仿真器电路，但大多只符合忆阻器的滞回特 性，却没有记忆性。少数具有记忆性的仿真器，其记忆时间较短，难以精确模拟实际忆阻器 的非遗失性记忆特性。因此，设计与实现既满足滞回特性、又满足非遗失记忆特性的忆阻器 仿真器，对研究实际惠普Ti02忆阻器的特性及其应用具有重要意义。
【发明内容】
[0004] 本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种基于数字电位器的忆阻器仿真器电 路，利用一个新的硬件电路实现了具有记忆功能的Ti02忆阻器的端口伏安特性。
[0005] 本实用新型解决技术问题所采取的技术方案如下：实现忆阻器特性的仿真器，本 实用新型包括采用电阻、电流采样电路，电流补偿电路，MCU微控制器和数字电位器组成。采 样电阻与数字电位器串联，其两端分别连接输入端(P1、P2);电流采样电路与采样电阻两端 相连，获取流经采样电阻的电流值；电流补偿电路两端分别与电流采样电路、MCU微控制器 的AD接口相连;MCU微控制器的IO管脚与数字电位器相连，用于控制数字电位器的电阻变 化。
[0006] 优选的，采样电阻Rl-端与输入端P2相连，另一端与数字电位器芯片(X9C102)的 弓丨脚5相连。
[0007] 优选的，电路采样电路由芯片(AD620)与电阻R2组成。其芯片输入引脚2、3分别与 采样电阻Rl相连，输出引脚6与电流补偿电路电阻R3相连。其1、8引脚通过电阻R2相连，第4 弓丨脚接电源-VCC，第7引脚接电源VCC，第5引脚接地。
[0008] 优选的，电流补偿电路由芯片（TL082)、电阻1?3、1?4、1?5、1?6、1?7组成。其输出引脚1， 通过电阻R4与引脚2相连，通过电阻5与引脚6相连，通过电阻R4、R7与电源VCC相连。引脚2通 过电阻R3与芯片(AD620)引脚6相连。引脚3与引脚5接地。引脚4接电源-VCC，引脚8接电源 VCC。引脚6通过电阻R6与引脚7、MCU微控制器(STC12C2052AD)引脚19相连，通过电阻R5与引 脚1相连。引脚7与MCU微控制器(STC12C2052AD)引脚19相连。
[0009] 优选的，MCU微控制器采用STC12C2052AD芯片，与电阻R8、电容(：1工2、02，晶振〇8〇 组成最小控制系统。其引脚1通过电阻R8接地，通过电容Cl与电源+5V相连。引脚4通过晶振 Osc与引脚5相连。引脚4,5分别通过电容C2、C3接地。引脚7与数字电位器芯片(X9C102)的引 脚2相连，引脚8与数字电位器芯片(X9C102)的引脚1相连。引脚20与电源+5V相连。引脚2、3、 6、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19 悬空。
[0010]优选的，数字电位器采用芯片X9C102。其引脚3悬空，引脚4与引脚7接地。引脚5与 电阻Rl相连，引脚6与输入端Pl相连。引脚8与电源+5V相连。
[0011] 本实用新型利用模拟电路实现Ti02忆阻器伏安特性，本实用新型利用集成运算电 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以实现电压跟随、电压反相 放大和电流的积分运算，模拟乘法器用以实现电流积分与电流的乘积。本实用新型设计了 一种能够实现Ti02忆阻器伏安特性的仿真器，其结构简单，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Ti02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。
[0012] 本实用新型设计的忆阻器仿真器，采用数字电位器，微控制器和高品质的仪表差 分放大器，使得忆阻器仿真器两输入端的电流相等，具有非遗失的记忆功能，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。
【附图说明】
[0013] 图1本实用新型的忆阻器仿真器电路结构图。
[0014] 图2本实用新型的电路原理图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图对本实用新型更进一步的详细说明。
[0016] HP实验室Ti02忆阻器的基本特性方程为：
[0018]由此推导出以记忆电阻M(t)表示的伏安关系，假设流经忆阻器的电流为i(t)，其 端口电压为U(t)，则忆阻器的端口电压与电流关系式为
[0020] 其中：1^为忆阻器的最小阻值，即W(t) =D时的忆阻器阻值;Rciff为忆阻器的最大饱 和阻值，即W( t) = 0时的忆阻器阻值。
[0021] 在Ti02构建的忆阻器模型中定义
[0023]其中:μν称为半导体掺杂离子迀移率，可得
[0031] 本忆阻器仿真器的实现，就是设计一种模拟电路以实现式(7)所描述的运算。
[0032] 如图1所示，忆阻器仿真器电路由采样电阻，电流采用电路，电流补偿电路，数字电 位器，MCU微控制器组成。
[0033]如图2所说，Pl与Ρ2作为两个输入端，采样电阻Rl与数字电位器(X9C102)相串联， 因此忆阻器模型中有：
[0034] Rrff = R雜_+R游_纖蠘3遭》R游_纖蠘3遭 (8)
[0035] 由于采样电阻与数字电位器串联，通过电流采样电路获得流经采样电阻的电流， 即为i(n)。其中η为采样计数，Vi为采样时间间隔。
[0036]由于输入端口电流的流向可由Pl到Ρ2,也可以由Ρ2到Pl，因此AD620采样的结果可 为正也可为负，但STC12C2052AD单片机的AD只能识别大于OV的电压值，因此AD620采样后的 值需要进过一个电流补偿电路将采样的电流值整体提高到〇值以上。STC12C2052AD通过内 部集成的AD转换器获取输入端口电流值的大小，并根据该值判断当前电流的流向，如果判 断出AB端口电流流向为Pl到Ρ2时，可增大数字电位器的阻值;如果判断出输入端口电流流 向为Ρ2到Pl时，则减小数字电位器的阻值。每次调整电阻器的步进则根据当前采样值跳变 的大小进行等比调节。通过程序控制数字电位器实现运算
[0038]以此模拟忆阻器的阻值变化。
[0039]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实用新型，而并 非作为对本实用新型的限定，只要是在本实用新型的范围内，对以上实施例的变化、变形都 将落在本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于数字电位器的忆阻器仿真器电路，其特征在于:包括采用电阻、电流采样电 路，电流补偿电路，MCU微控制器和数字电位器;采样电阻与数字电位器串联，其两端分别连 接输入端(P1、P2);电流采样电路与采样电阻两端相连，获取流经采样电阻的电流值；电流 补偿电路两端分别与电流采样电路、MCU微控制器的AD接口相连;MCU微控制器的10管脚与 数字电位器相连，用于控制数字电位器的电阻变化。2. 根据权利要求1所述的基于数字电位器的忆阻器仿真器电路，其特征在于:采样电阻 R1-端与输入端P2相连，另一端与数字电位器芯片的引脚5相连，数字电位器芯片型号为 X9C102〇3. 根据权利要求2所述的基于数字电位器的忆阻器仿真器电路，其特征在于：电流采样 电路由米样芯片与电阻R2组成；芯片输入引脚2、3分别与米样电阻R1相连，输出引脚6与电 流补偿电路中的电阻R3相连;其引脚1、8通过电阻R2相连，引脚4接电源-VCC，引脚7接电源 VCC，引脚5接地，采样芯片型号为AD620。4. 根据权利要求3所述的基于数字电位器的忆阻器仿真器电路，其特征在于：电流补偿 电路由补偿芯片TL082、电阻1?3、1?4、1?5、1?6、1?7组成 ;其输出引脚1，通过电阻1?4与引脚2相连， 通过电阻R5与引脚6相连，通过电阻R4、R7与电源VCC相连；引脚3与引脚5接地；引脚4接电 源-VCC，引脚8接电源VCC;引脚6通过电阻R6与引脚7、MCU微控制器引脚19相连，通过电阻R5 与引脚1相连；引脚7与Μ⑶微控制器引脚19相连，补偿芯片的型号为TL082，M⑶微控制器的 型号为 STC12C2052AD。5. 根据权利要求4所述的基于数字电位器的忆阻器仿真器电路，其特征在于:MCU微控 制器与电阻R8、电容Cl、C2、C2，晶振Osc组成最小控制系统；其引脚1通过电阻R8接地，通过 电容C1与电源+5V相连；引脚4通过晶振Osc与引脚5相连；引脚4,5分别通过电容C2、C3接地； 弓丨脚7与数字电位器芯片的引脚2相连，引脚8与数字电位器芯片的引脚1相连；引脚20与电 源+5V相连；引脚2、3、6、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19悬空。6. 根据权利要求5所述的基于数字电位器的忆阻器仿真器电路，其特征在于:数字电位 器的引脚3悬空，引脚4与引脚7接地；引脚5与电阻R1相连，引脚6与输入端P1相连；引脚8与 电源+5V相连。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于数字电位器的忆阻器仿真器电路。本实用新型根据HP实验室TiO2忆阻器的数学模型，对数学模型进行离散分析，获得了忆阻器数学模型的离散模型，根据所得出的离散数学模型，利用控制电路和数字电位器实现惠普实验室忆阻器模型。本实用新型提供的忆阻器仿真器包括数字电位器、高品质的仪表差分放大器、单片机。在无法获得纳米尺度单个孤立忆阻器器件的情况下，本实用新型提供的忆阻器仿真器可代替实际TiO2忆阻器进行忆阻器相关电路的设计与实验，也可用于其他需要忆阻器的领域。
【IPC分类】G11C13/00, H03K19/00
【公开号】CN205265657
【申请号】CN201521068678
【发明人】王光义, 袁方, 王晋, 彭存建, 张祥
【申请人】杭州电子科技大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年12月18日