阅读说明：本技术 一种二值型忆阻器电路仿真器 (Binary memristor circuit simulator ) 是由 梁燕 卢振洲 杨柳 王永慧 赵晓梅 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种二值型忆阻器电路仿真器,本发明采用运算放大器、电流传输器、乘法器、电阻和电容组成的二值型忆阻器电路仿真器,通过选择积分电路参数来适应不同的工作频率范围。采用反相滞回电路可以实现忆阻器两个阻态的保持和切换,并可通过调节反相加法电路的参数,改变高阻态和低阻态的比例。该电路仿真器可直接与实际电路元器件连接,适用于忆阻器在数字逻辑领域的研究和应用。(The invention discloses a binary memristor circuit simulator, which is formed by an operational amplifier, a current transmitter, a multiplier, a resistor and a capacitor and adapts to different working frequency ranges by selecting integral circuit parameters. The adoption of the inverting hysteresis circuit can realize the holding and switching of two resistance states of the memristor, and can change the proportion of a high resistance state and a low resistance state by adjusting the parameters of the inverting addition circuit. The circuit simulator can be directly connected with actual circuit components and parts, and is suitable for research and application of a memristor in the field of digital logic.)

一种二值型忆阻器电路仿真器

技术领域

本发明涉及忆阻器电路仿真器，特别涉及一种二值型忆阻器电路仿真器，适用于忆阻器及忆阻器应用电路研究领域。

背景技术

蔡少棠教授根据缺失的磁通和电荷之间的数学关系，推测存在第四种基本电路元件忆阻器。它是一种非线性二端电路元件，可应用于非易失存储器、数字逻辑、神经网络和模拟电路设计等领域。忆阻器的高、低阻态可视为数字逻辑的“0”和“1”，它凭借独特的二值特性在数字逻辑电路和非易失存储器等领域展现出诱人的应用前景。2008年，HP实验室采用纳米结构无源元件首次给出了忆阻器的物理实现。而目前纳米尺度忆阻器仍然存在生产技术难题，低成本、高性能忆阻器仍被期待。忆阻器电路仿真器具有易实现、低成本和特性可控等优点，可广泛应用于忆阻器及忆阻应用电路研究。大多数忆阻电路仿真器基于线性漂移数学模型且不具有非易失特性。因而设计一种非易失二值型忆阻器电路仿真器是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，采用有源器件和基本电路元件，构建一种可应用于数字逻辑领域的二值型忆阻器电路仿真器。

本发明一种二值型忆阻器电路仿真器，包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第五运算放大器U5、第六运算放大器U6、第一电流传输器U7、第二电流传输器U8、第一电阻R_in、第二电阻R_sb1、第三电阻R_sb2、第四电阻R_sb3、第五电阻R_sb4、第六电阻R_i、第七电阻R_m、第八电阻R、第九电阻R₁、第十电阻R₂、第十一电阻R₃、第十二电阻R₄、第十三电阻R_w、第十四电阻R_z、电容C_i和乘法器U9；所述的乘法器U9型号为AD633；

所述的第一电流传输器U7的输出端与第一运算放大器U1的同相输入端连接并作为二值型忆阻器电路仿真器的一端；第一运算放大器U1的反相输入端与输出端连接并接第二电阻R_sb1的一端，第二电阻R_sb1的另一端与第四电阻R_sb3的一端、第三运算放大器U3的同相输入端连接，第四电阻R_sb3的另一端接地，第二电流传输器U8的输出端与第二运算放大器U2的同相输入端连接并作为二值型忆阻器电路仿真器的另一端，第二运算放大器U2的反相输入端与输出端连接并接第三电阻R_sb2的一端，第三电阻R_sb2的另一端与第五电阻R_sb4的一端、第三运算放大器U3的反向输入端连接，第五电阻R_sb4的另一端与第三运算放大器U3的输出端、第六电阻R_i的一端、乘法器U9的x₁脚连接，第六电阻R_i的另一端与电容C_i的一端、第四运算放大器U4的反向输入端连接，第四运算放大器U4的同相输入端接地，电容C_i的另一端与第四运算放大器U4的输出端连接并接第九电阻R₁的一端，第九电阻R₁的另一端与第五运算放大器U5的反向输入端连接，第五运算放大器U5的同相输入端与第八电阻R的一端、第七电阻R_m的一端连接，第七电阻R_m的另一端接地，第八电阻R的另一端与第五运算放大器U5的输出端连接并接第十电阻R₂的一端，第十电阻R₂的另一端与第十一电阻R₃的一端、第十二电阻R₄的一端、第六运算放大器U6的反向输入端连接，第十一电阻R₃的另一端接电压V_s，第六运算放大器U6的同相输入端接地，第十二电阻R₄的另一端与第六运算放大器U6的输出端连接并接乘法器U9的y₂脚，乘法器U9的x₂脚、y₁脚与第十四电阻R_z的一端连接并接地，第十四电阻R_z的另一端与第十三电阻R_w的一端连接并接乘法器U9的z脚，第十三电阻R_w的另一端与乘法器U9的w脚、第二电流传输器U8的同相输入端连接，第二电流传输器U8的反向输入端与第一电阻R_in的一端连接，第一电流传输器U7的反向输入端与第一电阻R_in的另一端连接，第一电流传输器U7的同相输入端接地。

本发明的二值型忆阻器电路仿真器，其两端经过由运算放大器组成的电压跟随器，用来隔离后边电路，两路电压经过差分电路输出，实现了忆阻器电路模型端电压的采集，差分电路的输出信号输入至反相积分电路，对电压端电压进行反相积分后输出的信号与磁通成比例，该信号经过反相滞回比较电路和反相加法电路输出的信号与忆导值成比例，其中反相滞回比较电路的运放采用双电源供电，两个稳态电压对应忆阻器的两个阻态。差分电路输出的电压值与加法电路的输出的信号，经过乘法器后可输出与流经忆阻器电流成正比的电压信号，最后采用两只电流传输器将该电压信号转化为电流信号，同时也保障了忆阻器两端的电流是相等的。

有益效果：本发明采用运算放大器、电流传输器、乘法器、电阻和电容组成的二值型忆阻器电路仿真器，通过选择积分电路参数来适应不同的工作频率范围。采用反相滞回电路可以实现忆阻器两个阻态的保持和切换，并可通过调节反相加法电路的参数，改变高阻态和低阻态的比例。该电路仿真器可直接与实际电路元器件连接，适用于忆阻器在数字逻辑领域的研究和应用。

附图说明

图1为二值型忆阻器电路仿真器的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

本发明由运算放大器、电流跟随器、乘法器、电阻和电容组成，运算放大器型号为TL084，电流传输器型号为AD844，乘法器型号为AD633。图中A、B为该忆阻器电路仿真器的两端，v为忆阻器两端的电压，i为流经忆阻器的电流。第①部分中的运算放大器U1和运算放大器U2构成了具有隔离作用的电压跟随器，第②部分中的运算放大器U3和四只电阻R_sb1、R_sb2、R_sb3、R_sb4构成差分电路，其中R_sb1＝R_sb2＝R_sb3＝R_sb4，则差分电路的输出信号为：

v_sub＝v_A-v_B＝v (1)

此时差分电路的输出电压等于忆阻器模型两端的电压，由于忆导值与它的历史状态有关，第③部分中运算放大器U4和电阻R_i、电容C_i构成了反相积分电路，差分电路的输出信号反相积分后得到：

第④部分中的运算放大器U5、电阻R_m、R、R₁构成了反相滞回比较电路，其中运算放大器U5采用双电源供电，正电压为V_CC，负电压为V_EE，其中V_EE＝-V_CC，反相滞回电路的上下门限电压为：

反相滞回电路的输出取决于反相积分电路，保证了忆阻器仅具有两个稳定的阻态。当v_x>v_TH时，反相滞回电路的输出为V_EE；当v_x<v_TL时，反相滞回电路的输出为V_CC；当v_TL≤v_x≤v_TH时，输出保持原状态不变。通过反相滞回电路实现了忆阻器阻态的保持和切换。反相滞回电路后连接了由运算放大器U6、电阻R₂、R₃、R₄构成的加法电路，输出电压为：

其中，a＝R₄/R₂，b＝R₃/R₂，V_s＝V_CC，电压aV_EE+bV_s和aV_CC+bV_s分别对应忆阻器的低忆导值和高忆导值，因此通过改变电阻R₂、R₃、R₄的阻值来调节忆阻器高阻态和低阻态的比例。

乘法电路由第⑤部分的乘法器U9和电阻R_w、R_z组成，用来输出与忆阻器电流成正比的电压信号，电阻R_w、R_z用来调节乘法电路的系数，根据AD633芯片数据手册，可以得到它的输出信号v_w为：

第⑥部分的两只电流传输器U7和U8用来将乘法器的输出转换为电流，并保证该电路可以浮地连接，根据欧姆定律和AD844芯片数据手册可以得出：

v_w＝R_ini (6)

根据式(5)和式(6)可以得出该二值型忆阻器电路仿真器等效忆导值和电压v_G的关系如下：

G＝k_Gv_G (7)

其中，k_G＝-(R_w+R_z)/(10R_wR_in)，可以通过修改电阻R_w、R_z和R_in来调整该二值型忆阻器电路仿真器的等效忆导值。

根据分析可得出该二值型忆阻器电路仿真器的状态方程为：