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申请/专利权人：杭州电子科技大学

摘要：本发明公开了一种对数型局部有源忆阻器仿真器。本发明包括集成运算放大器U1、集成运算放大器U2、乘法器U3、乘法器U4、乘法器U5、乘法器U6和元器件电阻、电容、二极管。集成运算放大器U1用于反相加法运算、积分运算和反相放大运算；集成运算放大器U2用于实现反相加法运算、反相放大运算和对数运算；乘法器U3、U4、U5、U6用于实现信号的乘法运算。该仿真器模型利用集成运算放大器和乘法器等器件构建了满足局部有源忆阻器特性的模拟电路，可应用于忆阻器基础电路特性的研究。

主权项：1.对数型局部有源忆阻器仿真器，基于下述数学模型设计：i＝lnx2+0.1×udxdt＝-x3+0.25×x+ui和u为忆阻器的电流与电压，x为忆阻器的状态变量，其特征在于：包括集成运算放大器U1、集成运算放大器U2和乘法器U3、U4、U5、U6；集成运算放大器U1用于反相加法运算、积分运算和反相放大运算；集成运算放大器U2用于实现反相加法运算、反相放大运算和对数运算；乘法器U3、U4、U5、U6用于实现信号的乘法运算，具体是：集成运算放大器U1采用LF347，引脚1通过外围电阻R4连接引脚2；引脚2通过外围电阻R1、外围电阻R2、外围电阻R3分别连接u、-x3、0.25x；引脚3接地；引脚5接地；引脚6通过外围电阻R5连接引脚1；引脚7通过外围电容C1连接引脚6；引脚8通过外围电阻R6连接引脚9；引脚9通过外围电阻R7连接引脚7；引脚4接电源VCC，引脚11接电源VEE；引脚7输出为x；引脚8输出为-x；乘法器U3、U4、U6均采用AD633，乘法器U4引脚1连接-x；引脚3连接-x；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7为输出为x2；乘法器U3引脚1连接x2；引脚3连接-x；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7为输出为-x3；乘法器U6引脚1连接x；引脚3连接0.25V；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7为输出为0.25x；集成运算放大器U2采用LF347，引脚1通过外围电阻R10连接引脚2；引脚2通过外围电阻R8、外围电阻R9分别连接x2、0.1V；引脚3接地；引脚5接地；引脚6通过外围电阻R14连接引脚8；引脚7通过外围电阻R15连接引脚6；引脚8通过二极管D1连接引脚9；引脚9通过外围电阻R13连接引脚14；引脚10接地；引脚12接地；引脚13通过外围电阻R11连接引脚1；引脚14通过外围电阻R12连接引脚13；引脚4接电源VCC，引脚11接电源VEE；引脚7输出为lnx2+0.1；乘法器U5采用AD633，乘法器U5引脚1连接u；引脚3连接集成运算放大器U2引脚7；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7输出为电流i。

全文数据：对数型局部有源忆阻器仿真器技术领域本发明属于电路设计技术领域，涉及一种对数形式的局部有源忆阻器仿真器，具体涉及一种对数型局部有源忆阻器仿真器的设计与实现。背景技术忆阻器是一种具有非易失性的无源非线性电阻，可应用于非遗失性存储器、人工神经网络、图像处理、非线性电路设计等领域。为了研究复杂性产生的根本原因，蔡少棠教授提出了局部有源的概念，并指出局部有源是复杂性的起源。局部有源忆阻器具有更加复杂和更加丰富的动力学行为，是非线性电路复杂性和保持振荡的根本原因。相对无源忆阻器而言，局部有源忆阻器的研究还比较少，不但没有实际实现的物理器件，也缺乏数学模型和电路模型。因此，本发明设计了一种新型局部有源忆阻器的数学模型及其仿真器，数学模型可为局部有源忆阻器的物理实现提供理论模型，仿真器可替代实际局部有源忆阻器器件进行实验和应用研究，这对新型局部有源忆阻器的实现与研究都具有重要的意义。发明内容针对现有技术存在的上述不足，本发明提出了一种对数形式的局部有源忆阻器数学模型和基于该数学模型的仿真器电路，用以模拟局部有源忆阻器的伏安特性，替代实际忆阻器进行电路设计和应用。本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：本发明包括集成运算放大器U1、集成运算放大器U2、乘法器U3、乘法器U4、乘法器U5、乘法器U6和元器件电阻、电容、二极管。集成运算放大器U1用于反相加法运算、积分运算和反相放大运算；集成运算放大器U2用于实现反相加法运算、反相放大运算和对数运算；乘法器U3、U4、U5、U6用于实现信号的乘法运算。集成运算放大器U1采用LM347，集成运算放大器U1的引脚1通过电阻R4连接引脚2；引脚2通过电阻R1、电阻R2、电阻R3分别连接u、-x3、0.25x；引脚3接地；引脚5接地；引脚6通过电阻R5连接引脚1；引脚7通过电容C1连接引脚6；引脚8通过电阻R6连接引脚9；引脚9通过电阻R7连接引脚7；引脚4接电源VCC，引脚11接电源VEE；引脚7输出为x；引脚8输出为-x。乘法器U3、U4、U6采用AD633，乘法器U4引脚1连接-x；引脚3连接-x；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7为输出为x2。乘法器U3引脚1连接x2；引脚3连接-x；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7为输出为-x3。乘法器U6引脚1连接x；引脚3连接0.25V；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7为输出为0.25x。集成运算放大器U2采用LM347，集成运算放大器U2的引脚1通过电阻R10连接引脚2；引脚2通过电阻R8、电阻R9分别连接x2、0.1；引脚3接地；引脚5接地；引脚6通过电阻R14连接引脚8；引脚7通过电阻R15连接引脚6；引脚8通过二极管D1连接引脚9；引脚9通过电阻R13连接引脚14；引脚10接地；引脚12接地；引脚13通过电阻R11连接引脚1；引脚14通过电阻R12连接引脚13；引脚4接电源VCC，引脚11接电源VEE；引脚7输出为lnx2+0.1。乘法器U5采用AD633，乘法器U5的引脚1连接u；引脚3连接集成运算放大器U2引脚7；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7输出为电流i。本发明设计了一种能够实现局部有源忆阻器伏安特性的数学模型，并根据其数学模型建立其仿真器模型，含2个集成运放和4个乘法器，其电路实现局部有源忆阻器伏安特性。在目前及未来无法获得实际忆阻器件的情况下，可代替实际忆阻器实现与忆阻器相关的电路设计、实验以及应用，对忆阻器的特性和应用研究具有重要的实际意义。本发明利用集成运算电路和模拟乘法器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的反相加法运算、积分运算、反相放大器和对数运算，模拟乘法器用以实现电压的乘积运算。忆阻器的电压u通过集成运算放大器U1的反相加法器、积分器得到忆阻器内部状态变量x，内部状态变量x通过集成运算放大器U2的反相加法器、反相放大器、对数电路和乘法器的乘法运算得到忆阻器的电流i。附图说明图1是本发明的等效电路框图。图2是本发明模拟等效电路原理图。具体实施方式下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。本发明的理论出发点是由通用压控忆阻器数学模型推导出的一种对数型局部有源忆阻器数学模型的表达式：i＝lnx2+0.1·udxdt＝-x3+0.25·x+u其中，i和u为忆阻器的电流与电压，x为忆阻器的状态变量。如图1所示，本实施例包括集成运算放大器U1、集成运算放大器U2、乘法器U3、乘法器U4、乘法器U5、乘法器U6和元器件电阻、电容、二极管，集成运算放大器U1用于反相加法运算、积分运算和反相放大运算；集成运算放大器U2用于实现反相加法运算、反相放大运算和对数运算；乘法器U3、U4、U5、U6用于实现信号的乘法运算；U1和U2采用芯片LF347，U3、U4、U5和U6采用芯片AD633。LF347、AD633为现有技术。如图2所示，集成运算放大器U1的第1、2、3引脚对应的运算放大器，与外围电阻R1、R2、R3、R4构成反相加法器，输入分别为u、-x3、0.25x，其中，x表示忆阻器的状态，0.25x为乘法器U6的W引脚电压，-x3为乘法器U3的W引脚电压。由于R1＝R2＝R3＝R4＝10K，则U1引脚1的电压为：集成运算放大器U1的第5、6、7引脚与外围电容C1、电阻R5构成积分器，用以实现输入电压u1-1的积分，由于R5＝1M,C1＝1uF，即U1引脚7的电压：由局部有源忆阻器数学模型可知：dxdt＝-x3+0.25x+u，即x＝∫-x3+0.25x+udt则：u1-7＝∫-x3+0.25x+udt＝x则集成运算放大器U1的第7引脚的电压u1-7表示忆阻器的状态变量x。集成运算放大器U1的第8、9、10引脚对应的运算放大器，与外围电阻R6、R7构成反相放大器，用于实现输入电压u1-7的反相放大，且R6＝R7＝10K，即U1引脚8的电压为：乘法器U6用以实现集成运算放大器U1引脚7的电压u1-7与电压0.25V的乘积运算，即U6输出端W引脚的电压：u6w＝0.25u1-7＝0.25x乘法器U4用以实现集成运算放大器U1引脚8的电压u1-8的平方运算，即U4输出端W引脚的电压：u4w＝u1-7u1-7＝x2乘法器U3用以实现U4输出端W引脚的电压u4w和U1引脚8的电压u1-8的乘积运算，即U3输出端W引脚的电压：u3w＝u2wu1-7＝-x3集成运算放大器U2的第1、2、3引脚对应的运算放大器，与外围电阻R8、R9、R10构成反相加法器，输入分别为x2、0.1V，且R8＝R9＝R10＝10K，即U2引脚1的电压为：集成运算放大器U2的第12、13、14引脚对应的运算放大器，与外围电阻R11、R12构成反相放大器，用于实现输入电压u2-1的反相放大，且R11＝R12＝10K，即U2引脚14的电压为：集成运算放大器U2的第8、9、10引脚对应的运算放大器，与外围电阻R13、二极管MBR1045构成对数电路，用于实现输入电压u2-14的对数运算，且R13＝10K，二极管参数反向饱和电流IS＝0.1mA，UT＝26mV，u2-14UT，即U2引脚8的电压为：集成运算放大器U2的第5、6、7引脚对应的运算放大器，与外围电阻R14、R15构成反相放大器，用于实现集成运算放大器U2的引脚8的反相放大，且R14＝0.26K，R15＝10K，即U2引脚7的电压为：乘法器U5用以实现集成运算放大器U2引脚7的电压u2-7与输入电压u的乘积运算，即U5输出端W引脚的电压：u5w＝u2-7u＝lnx2+0.1·u乘法器U5输出端W为电流i，因此，i＝lnx2+0.1·u其中，x＝∫-x3+0.25x+udt忆阻器模拟等效电路的伏安特性，与压控忆阻器伏安特性比较得知电导：G＝lnx2+0.1集成运算放大器U1采用LM347，集成运算放大器U1的第1引脚通过电阻R4连接第2引脚；第2引脚通过电阻R1、电阻R2、电阻R3分别连接u、-x3、0.25x；第3引脚接地；第4引脚接电源VCC；第5引脚接地；第6引脚通过电阻R5连接第1引脚；第7引脚通过电容C1连接第6引脚；第8引脚通过电阻R6连接第9引脚；第9引脚通过电阻R7连接第7引脚；第10引脚接地；第11引脚接电源VEE。乘法器U3、U4、U6采用AD633，乘法器U4第1引脚连接-x；第2引脚接地；第3引脚连接-x；第4引脚接地；第5引脚接电源VEE；第6引脚接地；第7引脚为输出为x2；第8引脚接电源VCC。乘法器U3第1引脚连接x2；第2引脚接地；第3引脚连接-x；第4引脚接地；第5引脚接电源VEE；第6引脚接地；第7引脚为输出为-x3；第8引脚接电源VCC。乘法器U6第1引脚连接x；第2引脚接地；第3引脚连接0.25V；第4引脚接地；第5引脚接电源VEE；第6引脚接地；第7引脚为输出为0.25x；第8引脚接电源VCC。集成运算放大器U2采用LM347，集成运算放大器U2的第1引脚通过电阻R10连接第2引脚；第2引脚通过电阻R8、电阻R9分别连接x2、0.1；第3引脚接地；第4引脚接电源VCC；第5引脚接地；第6引脚通过电阻R14连接第8引脚；第7引脚通过电阻R15连接第6引脚；第8引脚通过二极管D1连接第9引脚；第9引脚通过电阻R13连接第14引脚；第10引脚接地；第11引脚接电源VEE；第12引脚接地；第13引脚通过电阻R11连接第1引脚；第14引脚通过电阻R12连接第13引脚。乘法器U5采用AD633，乘法器U5的第1引脚连接u；第2引脚接地；第3引脚连接集成运算放大器U2第7引脚；第4引脚接地；第5引脚接电源VEE；第6引脚接地；第7引脚输出为电流i；第8引脚接电源VCC。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发明，而并非作为对本发明的限定，只要是在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落在本发明的保护范围内。

权利要求：1.对数型局部有源忆阻器仿真器，基于下述数学模型设计：i＝lnx2+0.1·udxdt＝-x3+0.25·x+ui和u为忆阻器的电流与电压，x为忆阻器的状态变量，其特征在于：包括集成运算放大器U1、集成运算放大器U2和乘法器U3、U4、U5、U6；集成运算放大器U1用于反相加法运算、积分运算和反相放大运算；集成运算放大器U2用于实现反相加法运算、反相放大运算和对数运算；乘法器U3、U4、U5、U6用于实现信号的乘法运算，具体是：集成运算放大器U1采用LM347，引脚1通过电阻R4连接引脚2；引脚2通过电阻R1、电阻R2、电阻R3分别连接u、-x3、0.25x；引脚3接地；引脚5接地；引脚6通过电阻R5连接引脚1；引脚7通过电容C1连接引脚6；引脚8通过电阻R6连接引脚9；引脚9通过电阻R7连接引脚7；引脚4接电源VCC，引脚11接电源VEE；引脚7输出为x；引脚8输出为-x；乘法器U3、U4、U6均采用AD633，乘法器U4引脚1连接-x；引脚3连接-x；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7为输出为x2；乘法器U3引脚1连接x2；引脚3连接-x；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7为输出为-x3；乘法器U6引脚1连接x；引脚3连接0.25V；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7为输出为0.25x；集成运算放大器U2采用LM347，引脚1通过电阻R10连接引脚2；引脚2通过电阻R8、电阻R9分别连接x2、0.1V；引脚3接地；引脚5接地；引脚6通过电阻R14连接引脚8；引脚7通过电阻R15连接引脚6；引脚8通过二极管D1连接引脚9；引脚9通过电阻R13连接引脚14；引脚10接地；引脚12接地；引脚13通过电阻R11连接引脚1；引脚14通过电阻R12连接引脚13；引脚4接电源VCC，引脚11接电源VEE；引脚7输出为lnx2+0.1；乘法器U5采用AD633，乘法器U5引脚1连接u；引脚3连接集成运算放大器U2引脚7；引脚2、4、6接地；引脚8接电源VCC，引脚5接电源VEE；引脚7输出为电流i。

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