本發(fā)明涉及憶阻器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種通用記憶器件模擬器。

背景技術(shù)：

2008年HP實(shí)驗(yàn)室采用納米技術(shù)物理實(shí)現(xiàn)了具有“記憶”特性的非線性電阻，從而證實(shí)了蔡少棠教授于1971年提出的憶阻器(memristor)概念及相關(guān)理論。憶阻器建立了磁通量和電荷q之間的關(guān)系，其阻值與流過(guò)電流的歷史有關(guān)。由于記憶效應(yīng)是納米材料普遍存在的一種現(xiàn)象，2008年11月，蔡少棠教授又提出了憶容器(memcapacitor)和憶感器(meminductor)的相關(guān)概念。憶阻器、憶容器和憶感器被學(xué)術(shù)界統(tǒng)稱(chēng)為記憶器件，與憶阻器不同的是憶容器和憶感器在工作時(shí)不消耗能量，是一種儲(chǔ)能器件，因而在低功耗大規(guī)模集成電路中更具有實(shí)用價(jià)值。

記憶器件的制備需要精密的納米技術(shù)、昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，其商品化還需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。為了便于廣大研究人員分析和研究記憶器件的特性及其相關(guān)應(yīng)用，根據(jù)記憶器件的實(shí)際電學(xué)特性來(lái)構(gòu)建它們的模擬等效電路具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)憶阻器的模擬等效電路進(jìn)行了深入的研究，而對(duì)憶容器和憶感器的研究卻相對(duì)較少。Maheshwar等采用變類(lèi)器提出了一個(gè)憶感器的等效電路，可以將憶阻器轉(zhuǎn)化為憶感器(Sah M P,Budhathoki R K,Yang C,et al.Mutator-based meminductor emulator for circuit applications[J].Circuits,Systems,and Signal Processing,2014,33(8):2363-2383)。但該等效電路功能單一，只能模擬憶感器的電學(xué)行為，且電路中包含了多個(gè)電流鏡，使得電路非常復(fù)雜。

Fouda等直接根據(jù)憶容器的賦定關(guān)系，采用通用的運(yùn)算放大器、乘法器和電流控制電流源器件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)憶容器等效電路(Fouda M E,Radwan A G.Charge controlled memristor-less memcapacitor emulator[J].Electrons letters,2012,48(23):1454-1455)。同樣該電路功能單一，只能模擬憶容器的電學(xué)行為，且只能實(shí)現(xiàn)接地連接。

李志軍等利用2個(gè)差動(dòng)差分電流傳輸器(DVCC)構(gòu)建了一個(gè)通用的記憶器件模擬器(李志軍.一種基于憶阻器的浮地憶容器和憶感器模擬器；中國(guó)，201310524634.2[P].2014-01-22)，該模擬器可以將憶阻器分別轉(zhuǎn)化為憶容器和憶感器，但該模擬器必須包含憶阻器的模擬等效電路，使得電路非常復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能分別模擬憶阻器、憶容器和憶感器電學(xué)行為的通用記憶器件模擬器。

本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是：一種通用記憶器件模擬器，包括電壓控制浮地阻抗變換模塊和電流積分模塊，所述電壓控制浮地阻抗變換模塊包括第一電流反饋運(yùn)算放大器、第二電流反饋運(yùn)算放大器、第三電流反饋運(yùn)算放大器、第四電流反饋運(yùn)算放大器、場(chǎng)效應(yīng)管、第一電阻、第二電阻、第一阻抗元件和第二阻抗元件，所述第一電流反饋運(yùn)算放大器反相輸入端經(jīng)第一阻抗元件與第二電流反饋運(yùn)算放大器的反相輸入端相連，第一電流反饋運(yùn)算放大器的同相輸入端與第四電流反饋運(yùn)算放大器的電壓輸出端相連，第二電流反饋運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，第一電流反饋運(yùn)算放大器和第二電流反饋運(yùn)算放大器的電流輸出端分別作為電壓控制浮地阻抗變換模塊的信號(hào)輸入端，第一電流反饋運(yùn)算放大器的電壓輸出端經(jīng)第一電阻后與第三電流反饋運(yùn)算放大器的反相輸入端相連，第二電流反饋運(yùn)算放大器的電壓輸出端與第三電流反饋運(yùn)算放大器的同相輸入端相連，第三電流反饋運(yùn)算放大器的電流輸出端經(jīng)第二阻抗元件后接地，第四電流反饋運(yùn)算放大器的同相輸入端與第三電流反饋運(yùn)算放大器的電流輸出端相連，第四電流反饋運(yùn)算放大器的電流輸出端經(jīng)第二電阻后接地，第四電流反饋運(yùn)算放大器的反相輸入端經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管連接電流積分模塊。

上述通用記憶器件模擬器中，所述電流積分模塊包括第五電流反饋運(yùn)算放大器、電容和直流電壓源，所述場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第四電流反饋運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，場(chǎng)效應(yīng)管的源極與第五電流反饋運(yùn)算放大器反相輸入端相連，場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第五電流反饋運(yùn)算放大器的電壓輸出端相連，第五電流反饋運(yùn)算放大器同相輸入端接地，第五電流反饋運(yùn)算放大器的電流輸出端經(jīng)電容后接直流電壓源的正極，直流電壓源的負(fù)極接地。

上述通用記憶器件模擬器中，所述場(chǎng)效應(yīng)管為工作在線性區(qū)的N溝道場(chǎng)效應(yīng)管。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下，通過(guò)接入不同性質(zhì)的阻抗元件，能分別實(shí)現(xiàn)憶阻器、憶容器和憶感器：當(dāng)?shù)谝蛔杩乖偷诙杩乖鶠殡娮钑r(shí)，可以實(shí)現(xiàn)浮地憶阻器模擬器；當(dāng)?shù)谝蛔杩乖殡娙?，第二阻抗元件為電阻時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)浮地憶容器模擬器；當(dāng)?shù)谝蛔杩乖殡娮?，第二阻抗元件為電容時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)浮地憶感器模擬器。整個(gè)模擬器僅利用較少的元器件就可實(shí)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明采用浮地形式，對(duì)接入形式?jīng)]有任何限制，與其它子電路或元器件連接時(shí)更加方便。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體電路示意圖。

圖2為憶阻器的v-i特性曲線圖。

圖3為憶容器的q-v特性曲線圖。

圖4為憶感器的φ-i特性曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施技術(shù)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明包括電壓控制浮地阻抗變換模塊Ⅰ和電流積分模塊Ⅱ，電壓控制浮地阻抗變換模塊Ⅰ主要實(shí)現(xiàn)線性的壓控電阻、壓控電容和壓控電感，電流積分模塊Ⅱ主要實(shí)現(xiàn)電流的積分運(yùn)算。

所述電壓控制浮地阻抗變換模塊Ⅰ包括第一電流反饋運(yùn)算放大器1、第二電流反饋運(yùn)算放大器2、第三電流反饋運(yùn)算放大器3、第四電流反饋運(yùn)算放大器4、場(chǎng)效應(yīng)管M₁、第一電阻R₃、第二電阻R₄、第一阻抗元件Z₁和第二阻抗元件Z₂，各電流反饋運(yùn)算放大器中，X、Y、Z、W分別表示其反相輸入端、同相輸入端、電流輸出端和電壓輸出端。場(chǎng)效應(yīng)管M₁為工作在線性區(qū)的N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，所述第一電流反饋運(yùn)算放大器1反相輸入端經(jīng)第一阻抗元件Z₁與第二電流反饋運(yùn)算放大器2的反相輸入端相連，第一電流反饋運(yùn)算放大器1的同相輸入端與第四電流反饋運(yùn)算放大器4的電壓輸出端相連，第二電流反饋運(yùn)算放大器2的同相輸入端接地，第一電流反饋運(yùn)算放大器1和第二電流反饋運(yùn)算放大器2的電流輸出端分別作為電壓控制浮地阻抗變換模塊Ⅰ的信號(hào)輸入端，第一電流反饋運(yùn)算放大器1的電壓輸出端經(jīng)第一電阻R₃后與第三電流反饋運(yùn)算放大器3的反相輸入端相連，第二電流反饋運(yùn)算放大器2的電壓輸出端與第三電流反饋運(yùn)算放大器3的同相輸入端相連，第三電流反饋運(yùn)算放大器3的電流輸出端經(jīng)第二阻抗元件Z₂后接地，第四電流反饋運(yùn)算放大器4的同相輸入端與第三電流反饋運(yùn)算放大器3的電流輸出端相連，第四電流反饋運(yùn)算放大器4的電流輸出端經(jīng)第二電阻R₄后接地。

所述電流積分模塊Ⅱ包括第五電流反饋運(yùn)算放大器5、電容C₁和直流電壓源V_DC，所述場(chǎng)效應(yīng)管M₁的漏極與第四電流反饋運(yùn)算放大器4的反相輸入端連接，場(chǎng)效應(yīng)管M₁的源極與第五電流反饋運(yùn)算放大器5反相輸入端相連，場(chǎng)效應(yīng)管M₁的柵極與第五電流反饋運(yùn)算放大器5的電壓輸出端相連，第五電流反饋運(yùn)算放大器5同相輸入端接地，第五電流反饋運(yùn)算放大器5的電流輸出端經(jīng)電容C₁后接直流電壓源V_DC的正極，直流電壓源V_DC的負(fù)極接地。

如圖1所示，電壓控制浮地阻抗變換模塊Ⅰ中A、B端作為模擬器的信號(hào)輸入端，根據(jù)電流反饋運(yùn)算放大器的端口特性可知，每個(gè)電流反饋運(yùn)算放大器中：

v_y＝v_x,i_z＝i_x,i_y＝0,v_w＝v_z (1)

可以計(jì)算出電壓控制浮地阻抗變換模塊Ⅰ中流過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管M₁的漏極電流為：

$i_3\left(t\right)=i_D\left(t\right)=\frac{v_A\left(t\right)-v_B\left(t\right)}{R_3}{Z}_2\·G_{DS}---\left(2\right)$

其中，G_DS為場(chǎng)效應(yīng)管M₁工作在線性區(qū)時(shí)，其漏源極之間的等效電導(dǎo)值，v_A(t)、v_B(t)分別表示A、B端的輸入電壓值。

相應(yīng)的，圖1中電壓控制浮地阻抗變換模塊Ⅰ中A、B端的輸入電流可描述為：

$i_1\left(t\right)=i_2\left(t\right)=\frac{R_4}{Z_1}{i}_3\left(t\right)=\frac{R_4\·Z_2}{Z_1\·R_3}{G}_{DS}.\[v_A\left(t\right)-v_B\left(t\right)\]---\left(3\right)$

從而可以得到輸入端A、B之間的等效輸入導(dǎo)納為：

$G_{AB}\left(t\right)=\frac{Z_2\·R_4}{Z_1\·R_3}{G}_{DS}---\left(4\right)$

其中，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管M₁工作在線性區(qū)時(shí)，其漏極電流表示為：

$I_D=\mathrm{\β}\·\[(V_{GS}-V_{th})V_{DS}-\frac{1}{2}{V_{DS}}^2\]---\left(5\right)$

其中β＝μ_n C_ox(W/L)，μ_n表示電子遷移率，C_ox表示柵氧化層電容,W/L是M₁的寬長(zhǎng)比值，V_GS表示柵源極之間的電壓、V_DS表示漏源極之間的電壓,V_th對(duì)應(yīng)為場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓。

假定滿(mǎn)足V_DS＜＜2(V_GS-V_th)，式(5)可近似表示為：

I_D≈β·(V_GS-V_th)·V_DS (6)

即此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管M₁可等效為一個(gè)受V_GS控制的線性電阻，其對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)值可表示為：

G_DS≈β(V_GS-V_th)(7)

電流積分模塊Ⅱ中第五電流反饋運(yùn)算放大器5的y端直接接地，x端和電壓控制浮地阻抗變換模塊Ⅰ中的場(chǎng)效應(yīng)管M₁源極相連，其積分后的輸出電壓作為電壓控制浮地阻抗變換模塊Ⅰ的控制電壓V_C，其大小可以表示為：

$V_C\left(t\right)=V_{DC}+\frac{1}{C_1}\∫i_3\left(t\right)dt=V_{DC}+\frac{q_1\left(t\right)}{C_1}---\left(8\right)$

由于場(chǎng)效應(yīng)管M₁源極虛地，即V_C(t)＝V_GS，代入式(7)中，可得

$G_m\left(t\right)=G_{DS}=\frac{\mathrm{\β}\·q_1\left(t\right)}{C_1}+G_0---\left(9\right)$

其中，G_m(t)表示隨時(shí)間變化的跨導(dǎo)值，G₀＝β(V_DC-V_th)，相應(yīng)的表達(dá)式(4)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

$G_{AB}\left(t\right)=\frac{Z_2\·R_4}{Z_1\·R_3}{G}_m\left(t\right)---\left(10\right)$

由式(9)可知，G_m(t)的值與流過(guò)器件的電流的歷史相關(guān)，從而表明，A、B端的等效導(dǎo)納G_AB(t)具有“記憶”特性。

(1)當(dāng)Z₁＝R₁,且Z₂＝R₂時(shí)，該模擬器可以等效為一個(gè)憶阻器，其憶導(dǎo)值可以表示為

$G_m^{\′}\left(t\right)=\frac{R_2\·R_4}{R_1\·R_3}{G}_m\left(t\right)---\left(11\right)$

(2)當(dāng)Z₁＝C₂,且Z₂＝R₂時(shí)，該模擬器可以等效為一個(gè)憶容器，其憶容值可以表示為

$C_m\left(t\right)=\frac{R_2\·R_4}{R_3}{C}_2\·G_m\left(t\right)---\left(12\right)$

(3)當(dāng)Z₁＝R₁,且Z₂＝C₃時(shí)，該模擬器可以等效為一個(gè)憶感器，其憶感值的倒數(shù)可表示為

${L^{-1}}_m\left(t\right)=\frac{R_4}{R_1\·R_3\·C_3}{G}_m\left(t\right)---\left(13\right)$

本具體實(shí)施方式在保持模擬器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的情況下，通過(guò)接入不同性質(zhì)的阻抗元件，能分別模擬憶阻器、憶容器和憶感器。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的通用記憶器件模擬器能夠很好地模擬記憶器件的電學(xué)行為，且對(duì)器件的接入形式?jīng)]有任何要求，因而方便與其它子電路實(shí)現(xiàn)靈活的連接，對(duì)分析和研究記憶器件的特性及其相關(guān)應(yīng)用具有重要意義。

Pspice仿真得到的憶阻器v-i特性曲線如圖2所示、憶容器q-v特性曲線如圖3所示、憶感器的φ-i特性曲線如圖4所示。