一种基于忆阻器的浮地忆容器和忆感器模拟器

摘要

本发明公开了一种基于忆阻器的浮地忆容器和忆感器模拟器，包括第一差动差分电流传输器、第二差动差分电流传输器、忆阻器、电阻和电抗元件，第一差动差分电流传输器的X端与所述忆阻器相连后接地，第二差动差分电流传输器的一个输入端接地，另一个输入端与第一差动差分电流传输器的同相电流输出端、电抗元件的一端相连，电抗元件的另一端接地，第二差动差分电流传输器的X端与所述电阻相连后接地，第二差动差分电流传输器的同相电流输出端、反向电流输出端分别与第一差动差分电流传输器的两个输入端相连。本发明可以有效地替代实际的忆容器和忆感器进行电路的设计，并且对忆容器和忆感器两端的电压没有任何限制，可以与其它电子元件灵活连接。

说明书

技术领域

本发明涉及忆阻器技术领域，特别涉及一种基于忆阻器的浮地忆容器和忆感器模拟器。 

背景技术

自2008年5月美国惠普实验室成功实现忆阻器（memristor）以来，忆阻器在非易失性存储器，人工神经网络和电路设计领域得到了广泛的应用。在忆阻器的基础上，蔡少棠教授于2008年12月又提出了忆容器（memcapacitor）和忆感器（meminductor）的概念。这两种新的记忆元件与忆阻器一样都具有记忆功能，然而忆容器和忆感器器能存储能量，而忆阻器则不能。这些记忆元件的出现展示了一个全新的未知领域，有可能在电子领域内导致一系列新的变革。 

作为纳米电子元件，忆容器、忆感器和忆阻器一样现在还仅存在实验室环境中。由于纳米技术存在实现困难、成本高等缺点，这些记忆器件实现商品化还需要一个漫长的过程。因此，根据这些器件的实际电学特性构建它们的模拟等效电路对分析和研究由这些记忆元件构成的电路和系统具有重要的意义和价值。 

到目前为止，已经有大量文献报导了忆阻器的仿真模型和模拟器，然而有关忆容器和忆感器的仿真模型和模拟器却相对较少。 

Y.V.Pershin等人提出了一个简单的变类器，可以将忆阻器转化为忆容器和忆感器(Pershin Y.V，Di Ventra，M.Memristive circuits simulate  memcapzcitor and meminductor[J].Electron.Lett.,2010,Vol.46,No.7),但在实现的忆容器和忆感器中包含了一个串联的寄生电阻,且提出的电路只能实现接地方式。 

一个采用电流反馈运算放大器（Current Feedback Operational Amplifier）实现的忆容器模拟等效电路能精确的模拟忆容器典型的、具有收缩迟滞特性的q-u（电荷—电压）曲线（D.Biolek,V Biolkova.Mutator for transforming memristor into memcapacitor[J].Electron.Lett.,2010,Vol.46,No.21)，然而该电路只能实现将忆阻器转化为忆容器，而不能实现忆感器，而且该电路也只能以接地方式接入其它电路。 

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、能够实现浮地连接的基于忆阻器的浮地忆容器和忆感器模拟器。 

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于忆阻器的浮地忆容器和忆感器模拟器，包括第一差动差分电流传输器、第二差动差分电流传输器、忆阻器、电阻和电抗元件，所述第一差动差分电流传输器具有两个输入端、一个同相电流输出端和一个X端，所述第二差动差分电流传输器具有两个输入端、一个同相电流输出端、一个反向电流输出端和一个X端，所述第一差动差分电流传输器的X端与所述忆阻器相连后接地，所述第二差动差分电流传输器的一个输入端接地，另一个输入端与第一差动差分电流传输器的同相电流输出端、电抗元件的一端相连，电抗元件的另一端接地，第二差动差分电流传输器的X端与所述电阻相连后接地，所述第二差动差分电流传输器的同相电流输出端、反向电流输出端分别与第一差动差分电流传输器的两个输入端相连。 

所述电抗元件为电感或电容。 

本发明的有益效果在于：本发明能正确模拟忆容器的q-u特性曲线和忆感器的（磁通—电流）特性曲线，可以有效地替代实际的忆容器和忆感器进行电路的设计及相关研究，并且本发明设计的忆容器和忆感器模拟器是浮地的，对忆容器和忆感器两端的电压没有任何限制，可以与其它电子元件或器件实现灵活的连接。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

如图1所示，本发明包括第一差动差分电流传输器U1、第二差动差分电流传输器U2、忆阻器M、线性电阻R和线性电抗元件Z，所述第一差动差分电流传输器U1的X端与所述忆阻器M相连后接地，所述第二差动差分电流传输器U2的一个输入端Y2接地，另一个输入端Y1与第一差动差分电流传输器U1的同相电流输出端Z+、电抗元件Z的一端相连，电抗元件Z的另一端接地，第二差动差分电流传输器U2的X端与所述电阻R相连后接地，所述第二差动差分电流传输器U2的反向电流输出端Z-、同相电流输出端Z+分别与第一差动差分电流传输器U1的两个输入端Y1、Y2相连。 

第一差动差分电流传输器U1主要实现电压—电流转换，第二差动差分电流传输器U2主要实现电流积分（或微分）功能。 

第一差动差分电流传输器U1的两个输入端Y1、Y2分别与输入端口A、B相连，X端经忆阻器M接地。根据差动差分电流传输器的端口特性： 

v_X=v_Y1-v_Y2,i_X=i_Z+=-i_Z-,i_Y=0        （1） 

可以计算出第一差动差分电流传输器U1电流输出端Z+的输出电流为 

$i_3\left(t\right)=i_M\left(t\right)=\frac{v_A\left(t\right)-v_B\left(t\right)}{R_M\left(t\right)}---\left(2\right)$

其中R_M(t)为t时刻忆阻器M对应的忆阻值。 

第二差动差分电流传输U2的输入端Y1与第一差动差分电流传输器U1的电流输出端Z+相连，并接线性电抗元件Z到地，输入端Y2直接接地，X端经线性电阻R接地。反相电流输出端Z-和同相电流输出端Z+分别与输入端口A、B相连，形成一个完整的电流通路。同样根据差动差分电流传输器的端口特性可以得到 

$i_1\left(t\right)=i_2\left(t\right)=i_R\left(t\right)=\frac{Z}{R}{i}_3\left(t\right)=\frac{Z}{R}\frac{v_A\left(t\right)-v_B\left(t\right)}{R_M\left(t\right)}---\left(3\right)$

从而可以计算出输入端口A、B之间的等效输入阻抗为 

$Z_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{v_A\left(t\right)-v_B\left(t\right)}{i_1\left(t\right)}=\frac{R·R_M\left(t\right)}{Z}---\left(4\right)$

由式（4）可知，当图1中的线性电抗元件Z为电感时，该电路可以等效为一个忆容器，其忆容值可以表示为 

$C_M\left(t\right)=\frac{L}{R·R_M\left(t\right)}---\left(5\right)$

当图1中的线性电抗元件Z为电容时，该电路可以等效为一个忆感器，其忆感值可以表示为 

L_M=R·R_M(t)·C          （6） 

本具体实施方式在电路拓扑结构不变的情况下，通过接入不同性质的电抗元件Z可以分别模拟忆容器和忆感器的电学特性，并且本发明设计的模拟器是浮地的，对忆容器和忆感器两端的电压没有任何限制，因而可以与其它电子元件 或器件实现不同形式的连接方式。