负电容器件和负电感器件及包括其的电路
阅读说明：本技术 负电容器件和负电感器件及包括其的电路 (Negative capacitance device, negative inductance device, and circuit including the same ) 是由 陆俊 于 2019-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及负电容器件和负电感器件及包括其的电路。根据一实施例,提供一种负电容器件,其具有第一端和第二端。所述负电容器件包括：第一运算放大器,具有第一同相输入端、第一反相输入端、以及第一输出端,所述第一同相输入端连接到所述负电容器件的第一端,所述第一反相输入端连接到所述负电容器件的第二端；第一电容器,连接在所述第一运算放大器的第一同相输入端与第一输出端之间；第一电阻器,连接在所述第一运算放大器的第一反相输入端与第一输出端之间；以及第二电阻器,连接在所述第一运算放大器的第一反相输入端与所述负电容器件的第二端之间。(The invention relates to a negative capacitance device and a negative inductance device and a circuit including the same. According to an embodiment, a negative capacitor element is provided having a first end and a second end. The negative capacitor element includes: a first operational amplifier having a first non-inverting input terminal connected to a first terminal of the negative capacitance device, a first inverting input terminal connected to a second terminal of the negative capacitance device, and a first output terminal; a first capacitor connected between a first non-inverting input terminal and a first output terminal of the first operational amplifier; a first resistor connected between a first inverting input terminal and a first output terminal of the first operational amplifier; and a second resistor connected between the first inverting input terminal of the first operational amplifier and the second terminal of the negative capacitance device.)
技术领域
本发明总体上涉及电子元器件领域，更特别地，涉及一种负电容器件和负电感器件，以及包括它们中的至少一个的电路。
背景技术
补偿是电路中经常使用的一种匹配方式，以让电路系统能更大程度地在合理区间内工作，其中电抗或电纳的补偿是阻抗匹配中很重要的补偿手段，以达到电能的传输、储存、释放和吸收。通常的电抗或电纳的补偿元件是传统的电容或电感，其具有正的电容值或电感值，但如果需要补偿的电路已经呈现多余的正电容或正电感，使用传统的电容或电感则无法达到目的。电感与电容的阻抗相位分别是90度与-90度，但随频率的增加，电感与电容的阻抗模分别线性增加与倒降低，因而两者之间原理上并不能相互补偿。这时，如果使用负电感或负电容，即阻抗的模随频率的依赖关系跟正常电感与电容分别一致，但阻抗相位跟正常电感或电容刚好相反，则刚好能对电路系统进行正确补偿。但目前公开的实现负电感或负电容的技术手段并不多见，比如有非线性材料(A.I.Khan et al.,NatureMaterials 2015,14,182)或特殊的场效应元件(B.Obradovic et al.,IEEE Transactionson Electron Devices 2018,65,5157)。
另一方面，人工智能一直是科学研究的热点领域，尤其是近年来随着机器学习、神经网络等领域的发展，人工智能领域的科学研究得到了长足的进步。人工智能的最终研究目的是能够开发出类脑设备，其能够模拟人脑的运行，从而产生“思维”和“智力”。一种可行的方法是通过硬件电路来模拟人脑运行，这对目前的电子元器件领域提出的巨大的挑战。目前的基本电子元器件包括电阻、电感、电容、二极管、晶体管等，它们可以组合以形成诸如放大器、滤波器、反相器、加法器、乘法器等之类的基本器件，各种元件和器件又可以组合成电路以实现更复杂的功能。然而，人脑的复杂程度远远超过了目前的电路复杂程度，为了模拟人脑的各种功能，目前的电子元器件和电路是远远不够的，还需要开发出新的电子元器件和电路。例如，局域补偿模拟神经元的记忆或传递权重控制操作，负电容和负电感器件将会为仿真系统给予高效补偿。
因此，作为基本的元件创新与未来通过硬件电路模拟人脑的技术储备，开发出更多新颖的电子元器件和电路，包括负电容和负电感等，已经成为一种技术上的需要。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种负电容器件，具有第一端和第二端，所述负电容器件包括：第一运算放大器，具有第一同相输入端、第一反相输入端、以及第一输出端，所述第一同相输入端连接到所述负电容器件的第一端，所述第一反相输入端连接到所述负电容器件的第二端；第一电容器，连接在所述第一运算放大器的第一同相输入端与第一输出端之间；第一电阻器，连接在所述第一运算放大器的第一反相输入端与第一输出端之间；以及第二电阻器，连接在所述第一运算放大器的第一反相输入端与所述负电容器件的第二端之间。
在一些示例中，所述负电容器件是极性器件，所述第一端是输入端，所述第二端是输出端。
在一些示例中，所述负电容器件还包括：第二运算放大器，具有第二同相输入端、第二反相输入端、以及第二输出端，所述第二同相输入端连接到所述负电容器件的第二端，所述第二反相输入端连接到所述第二电阻器的与所述第一运算放大器相反的一端；第三电阻器，连接在所述第二运算放大器的第二反相输入端与第二输出端之间；以及第二电容器，连接在所述第二运算放大器的第二同相输入端与第二输出端之间。
在一些示例中，所述负电容器件是非极性器件，所述第一端和所述第二端中的任一个用作输入端，另一个用作输出端。
本发明的另一方面在于提供一种负电感器件，具有第一端和第二端，所述负电感器件包括：第一运算放大器，具有第一同相输入端、第一反相输入端、以及第一输出端，所述第一同相输入端连接到所述负电感器件的第一端，所述第一反相输入端连接到所述负电感器件的第二端；第一电感器，连接在所述第一运算放大器的第一同相输入端与第一输出端之间；第一电阻器，连接在所述第一运算放大器的第一反相输入端与第一输出端之间；以及第二电阻器，连接在所述第一运算放大器的第一反相输入端与所述负电感器件的第二端之间。
在一些示例中，所述负电感器件是极性器件，所述第一端是输入端，所述第二端是输出端。
在一些示例中，所述负电感器件还包括：第二运算放大器，具有第二同相输入端、第二反相输入端、以及第二输出端，所述第二同相输入端连接到所述负电感器件的第二端，所述第二反相输入端连接到所述第二电阻器的与所述第一运算放大器相反的一端；第三电阻器，连接在所述第二运算放大器的第二反相输入端与第二输出端之间；以及第二电感器，连接在所述第二运算放大器的第二同相输入端与第二输出端之间。
在一些示例中，所述负电感器件是非极性器件，所述第一端和所述第二端中的任一个用作输入端，另一个用作输出端。
本发明的另一方面在于提供一种电路，包括上述负电容器件和负电感器件中的至少一个。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的负电容器件的电路图；
图2是根据本发明另一实施例的负电容器件的电路图；
图3是图2的负电容器件的仿真结果曲线图；
图4是根据本发明一实施例的负电感器件的电路图；
图5是根据本发明另一实施例的负电感器件的电路图；以及
图6是图5的负电感器件的仿真结果曲线图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。注意，附图可能不是按比例绘制的。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。
图1是根据本发明一实施例的负电容器件10的电路图。如图1所示，负电容器件10具有输入端In和输出端Out，在图1中输出端Out示为接地，当然其也可以连接到电路中的其他节点。
图1的负电容器件10包括运算放大器OP1、电容器C1以及电阻器R0和R1。运算放大器OP1的同相输入端可连接到输入端In，反相输入端可通过电阻器R0连接到输出端Out。电容器C1连接在运算放大器OP1的同相输入端与输出端之间，电阻器R1连接在运算放大器OP1的反相输入端与输出端之间。在图1中，将运算放大器OP1的反相输入端、电阻器R0和电阻器R1三者之间的连接节点示为N1。
应理解，在本申请中，当提及“电容器”时，其指的是传统的具有正电容的电容器；仅在提及“负电容器件”时，其指的是具有负电容的电容器件。
下面来说明图1的负电容器件10的操作原理。假设在负电容器件10的输入端In上施加有交流输入电压Vin，运算放大器OP1的输出端的电压为V1，反相输入端的电压为V2。根据运算放大器的“虚短”分析，运算放大器OP1的同相输入端和反相输入端之间短路，其电压大约相等，即Vin＝V2；再根据运算放大器的“虚断”分析，运算放大器OP1的同相输入端和反相输入端之间开路，相当于电阻R1和R0串联连接，即流过它们的电流相等，IR1＝IR0。由此，可确定下面的公式1：
则，流过电容器C1的电流IC1为：
其中，ZC1是电容器C1的阻抗。
再根据运算放大器的“虚断”分析，流过整个负电容器件10的等效电流Ieff等于流过电容器C1的电流IC1，则可以确定整个负电容器件10的等效阻抗Zeff＝-ZC1·R0/R1，等效电容Ceff＝-C1·R1/R0，即器件10为负电容器件。
应理解，上面的负电容器件10是极性器件，这里的“极性”指的是负电容器件10的输入是有方向性的，其输入端In和输出端Out不可互换使用；如果互换，则器件10不表现出负电容属性。下面将参照图2描述根据本发明另一实施例的负电容器件20，其是非极性器件，即其输入端和输出端可以互换使用。
如图2所示，负电容器件20大体上包括关于电阻器R0镜像对称设置的两个负电容器件10。这里，相同的元件用相同的附图标记表示，下面将仅描述不同的元件。负电容器件20还包括运算放大器OP2，其反相输入端连接到电阻器R0，正相输入端连接到负电容器件20的输出端Out。电阻器R2连接在运算放大器OP2的输出端与反相输入端之间，电容器C2连接在运算放大器OP2的输出端与正相输入端之间。在图2中，将运算放大器OP2的反相输入端、电阻器R0和电阻器R2之间的连接节点示为N2。
负电容器件20的操作原理与负电容器件10类似。根据运算放大器的“虚短”分析，运算放大器OP2的同相输入端和反相输入端之间短路，因此节点N2处的电压可视为等于零，运算放大器OP2失活，整个负电容器件20的等效阻抗和等效电容与上面分析的负电容器件10相同。
与负电容器件10不同的是，负电容器件20具有对称设置，因此其输入In和输出Out可互换使用，互换时负电容器件20仍表现出负电容属性。例如，当图2的In端接地，而Out段接收输入电压Vin时，负电容器件20的等效阻抗Zeff＝-ZC2·R0/R2，等效电容Ceff＝-C2·R2/R0，即器件20仍为负电容器件。
图3是图2的负电容器件20的仿真结果曲线图。从图3可以看出，器件20具有等效负电容。
图4是根据本发明一实施例的负电感器件30的电路图。可以看出，图4的负电感器件30与图1的负电容器件10基本相同，不同之处仅在于用电感器L1替换了电容器C1，因此这里不再重复描述负电感器件30的电路结构。
下面来说明图4的负电感器件30的操作原理。假设在负电感器件30的输入端In上施加有交流输入电压Vin，运算放大器OP1的输出端的电压为V1，反相输入端的电压为V2。根据运算放大器的“虚短”分析，运算放大器OP1的同相输入端和反相输入端之间短路，其电压大约相等，即Vin＝V2；再根据运算放大器的“虚断”分析，运算放大器OP1的同相输入端和反相输入端之间开路，相当于电阻R1和R0串联连接，即流过它们的电流相等，IR1＝IR0。由此，可确定下面的公式3：
则，流过电感器L1的电流IL1为：
其中，ZL1是电感器L1的阻抗。
再根据运算放大器的“虚断”分析，流过整个负电感器件30的等效电流Ieff等于流过电感器L1的电流IL1，则可以确定整个负电感器件30的等效阻抗Zeff＝-ZL1·R0/R1，等效电感Leff＝-L1·R0/R1，即器件30为负电感器件。
应理解，与负电容器件10类似，上面的负电感器件30也是极性器件，即其输入端In和输出端Out不可互换使用；如果互换，则器件30不表现出负电感属性。
图5示出根据本发明另一实施例的负电感器件40，其是非极性器件，即其输入端和输出端可以互换使用。从图5可以看出，负电感器件40与图2的负电容器件20基本相同，不同之处仅在于用电感器L1和L2分别替换了电容器C1和C2，因此这里不再重复描述负电感器件40的电路结构。
负电感器件40的操作原理与负电感器件30类似。根据运算放大器的“虚短”分析，运算放大器OP2的同相输入端和反相输入端之间短路，因此节点N2处的电压可视为等于零，运算放大器OP2失活，整个负电感器件40的等效阻抗和等效电容与上面分析的负电感器件30相同。
与负电感器件30不同的是，负电感器件40具有对称设置，因此其输入In和输出Out可互换使用，互换时负电感器件40仍表现出负电感属性。例如，当图5的In端接地，而Out段接收输入电压Vin时，负电感器件40的等效阻抗Zeff＝-ZL2·R0/R2，等效电感Leff＝-L2·R0/R2，即器件40仍为负电感器件。
图6是图5的负电感器件40的仿真结果曲线图，其中Vin是输入电压，Ieff是负电感器件40的等效电流，IL'是传统电感器件在输入电压Vin下的电流。通过图6的电流曲线Ieff和IL'的对比可以看出，器件40具有等效负电感。
可以理解，本发明的负电容器件和负电感器件可以用于各种电子设备的电路中，包括但不限于例如已有电路和未来开发的例如模拟人脑运行的电路，其也落入本发明的保护范围内。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
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