小说浮动记忆电阻模拟器以最小的组件

文摘

一个新的浮动模拟器flux-controlled介绍了忆阻器。该仿真器电路非常简单,只包含两个电流反馈运算放大器(CFOAs),两个模拟乘法器,三个电阻和两个电容器。模拟器可以配置为一个递增或递减类型忆阻器通过使用一个额外的开关。模拟器的数学模型推导出描述其行为。的磁滞行为仿真器详细讨论,显示了磁滞回路- - - - - -飞机不仅取决于amplitude-to-frequency兴奋信号也比仿真器电路的时间常数。实验测试来验证仿真器提供的可加工性。

1。介绍

旁边的记忆电阻,电阻,电容,电感,假设是1971年由蔡第四被动电路元件(1]。它被定义为一个双端元素提供电荷和磁通量失踪的本构关系。点燃的成功制造一个真正的纳米级2008年由惠普实验室忆阻器(2),巨大的研究一直致力于探索memristor-based等领域的潜在应用电阻随机存取存储器(RRAM) [3,4),模拟电路(5,6),数字电路(7,8],混沌电路[9,10)和神经网络(11,12]。尽管记忆电阻有许多潜在的应用程序,它不是作为普通研究人员的通用电子设备可用。由于这个原因,很多香料模型(13- - - - - -15)实施模拟忆阻器作为一个可能的替代方法。但是他们不能用于构建实际的应用程序。最近,生物启发技术推出了世界上第一个商用记忆电阻(16]。然而,它有一个高的价格,只能应用在特殊条件下为了避免不可挽回的损害(17]。因此,替代,像一个真正的记忆电阻仍急需memristor-based允许普通研究人员研究的实际应用。事实上,许多记忆电阻电路模拟器开发近年来(17- - - - - -32]。例如,使用一个JFET来实现所需的非线性,忆阻器模拟器由五个运算放大器,一个浮动的电容器,大量的电阻,一个模拟乘法器提出了(19]。除了其复杂性,模拟器报道(19],因此不适合作为双端接地装置在更复杂的电路。一个统一的方法将非线性电阻转换成记忆电阻器是开发的20.),但结果模拟器基于这种方法受限于接地操作。模拟器在[21,22)可以模仿TiO的特点₂忆阻器。然而,电路非常复杂,建立了一个模拟乘法器和大量的运算放大器(OAs),电阻,金属氧化物半导体晶体管。为了使电路在21,22)有一个浮动的操作能力,进一步修改了(23)通过添加当前的输送机。在[24],Sanchez-Lopez等人提出了一个浮动的忆阻器仿真器可以运行在高工作频率(14赫兹)。但是电路使用大量的主动和被动的元素,即五CFOAs,一个模拟乘法器,被动的元素。两个简化仿真器提出了更高的工作频率(17,26]。然而,限制接地的地方大量的障碍在他们与其他电路连接元素。仿真器电路(27)使用光敏电阻器(LDR)提供所需的非线性。虽然模拟器电路非常简单,它只能工作在低频率和有一个狭窄的记忆电阻的变化范围。Pershin和Ventra建立了忆阻器仿真器使用数字和模拟混合电路[28]。该决议的记忆,然而,受限于有限的A / D转换器的性能。使用diode-resistive网络来实现所需的非线性,二进制级别模拟器开发(29日)和一个持续的水平模拟器实现利用OTA的非线性传输特性提出了在30.]Abuelma 'atti和哈利法塔。然而,接地限制仍然是主要障碍与其他电路的连接元素。浮动模拟器,建立四个CFOAs和避免了模拟乘法器的使用,是由同一作者(31日]。为了使它成功地模拟一个浮动的忆阻器,仿真器电路必须满足严格的参数匹配条件。电子可调忆阻器仿真器电路提出了(32)和记忆价值可以通过改变跨导控制参数的在线旅行社。

在本文中,我们提出一个浮动的忆阻器仿真器,内置两个CFOAs,两个模拟乘法器,五被动元素。事实上,乘数是常用来实现电压和磁通的产品(电流和电荷)的设计flux-controlled (charge-controlled)记忆电阻模拟器21- - - - - -27]。不同于上述设计方法,然而,在此乘数是用来构造一个浮动压控电阻(VCR)。模拟器实现通过使用通量在录像机的控制电压。该模拟器不仅有一个简单的拓扑,也可以配置为一个递增或递减类型记忆电阻。模拟器的数学模型,详细推导。其磁滞行为进一步讨论,显示了磁滞回路- - - - - -飞机不仅取决于amplitude-to-frequency兴奋信号也比仿真器电路的时间常数。此外,PSpice软件仿真和实验测试包括演示仿真器的属性。本文的组织如下:在部分2,我们引入仿真器电路,推导出其数学模型,磁滞行为执行分析部分3PSpice模拟和实验结果给出了部分4和5,分别。我们在最后一节总结本文。

2。提出了浮动电路模拟器

忆阻器完成电荷之间缺失的环节和通量 。当其本构关系表示为一个单值函数 忆阻器是flux-controlled,可以memductance的特点 ,描述变化的比率的费用对于通量整个装置: 相应的- - - - - -记忆电阻的关系在这种情况下表示为

提出了浮动flux-controlled模拟器忆阻器电路如图1。它是由两个AD844 CFOAs类型,两个AD633类型模拟乘法器,三个电阻,和两个电容器。在这里,和在寄生电阻终端的和 ; 和和和相关的寄生电阻和电容吗终端。每个CFOA的特点是以下终端关系20.]: 在哪里 , ,和是港口转移比率。从图1电流通过电阻可以表示为 目前将转移到终端的它将被整合的电容器和产生一个输出电压终端的给出的 寄生电阻的影响仿真器电路可以忽略由于其高阻值约3米 。用(4)(5),一个可以获得输出电压给出的 考虑到这一事实 ,(6)可以写成 在哪里对应于通量在模拟器,它被定义为 。在这里,我们考虑到积分器的初始条件为零。同样,一个人可以获得输出电压 : 模拟乘法器和和电阻和构造一个浮动压控电阻(VCR)和是电压控制。指AD633 input-to-output特性,输出电压和可以给 因此,电流和可以表示为 它可以推断出从(10), 认为如果 是满意的。因此,录像机可以被描述为等效电导 在哪里 。从图1当开关切换到节点 ,也就是说, ,模拟器实现增量式记忆电阻和相应的memductance可以表示为 当开关切换到节点 ,也就是说, ,仿真器相当于一个递减类型记忆电阻的memductance决定的 因此模拟器具有相同的优势的模拟器(17,23];即递增或递减类型记忆电阻可以通过使用一个额外的交换开关 。由于 , , , 和假设 ,(12)和(13)可以被描述为以下统一表达式: 它可以看到从(14),这两种不同类型memductances是线性依赖于通量 ;flux-controlled因此模拟器,它可以由一个控制电压对输入终端。

3所示。磁滞行为分析

为了研究的磁滞行为提出了模拟器,假设一个正弦电压 是应用于终端和 ,整个装置流量 。注意,积分器的初始条件,为了简单起见,被认为是零。因此,memductance可以计算为 从(15)memductance由一个线性定常电导和一个线性时变电导。模拟器的捏磁滞行为之间的关系取决于memductance时变和时不变的部分(21]。两部分之间的关系可以被描述为他们的振幅的比值,作为 在哪里 模拟器本身的时间常数; 的amplitude-to-frequency比刺激信号。从(16),可以推断出了磁滞行为不仅取决于amplitude-to-frequency刺激信号的比率也在仿真器电路的时间常数。有三种情况提出了忆阻器的磁滞回线的:(1) 当 。memductance是由一个线性定常电导和捏磁滞回线收缩成一条直线。(2) 当 。相应的memductance变异范围从(15)和最大的磁滞回线。(3) 当 。memductance零或负电导值和磁滞回线。因此,为了保持了磁滞回线,的数值必须躺在间隔 。这意味着必须根据更新吗和 。这个任务可以通过更新电容器的值和用以下表达式: 为简单起见,我们假设 , , Ω, ;在图的电路参数选择元素1给出了不同的操作频率表1。值得注意的是,寄生电容和是可以忽略不计的,因为它们的值远小于电容器的和 。

4所示。PSpice模拟

为了验证该模拟器的和易性,使用给定的电路参数表1为 nF,模拟电路的PSpice软件模拟器。一个正弦电压与 赫兹和 应用在记忆电阻;的瞬态波形 , ,和在增量式仿真器如图2(一个)。相应的磁滞回线的原点- - - - - -平面,如图2 (b)。从图可以看出2(一个)的正弦电压产生一个扭曲的电流注入memductance的非线性造成的。检查图2(一个)显然也表明memductance周期性变化在0到200的范围在正弦电压激励下。类似的仿真结果,如图3与相同的电路参数,得到了忆阻器的电路被配置为递减类型。比较图2 (b)与图3 (b),一个人可以发现增量式记忆电阻和递减类型记忆电阻有相同的磁滞回线- - - - - -飞机。但增量式记忆电阻的磁滞回线在第一象限,顺时针逆时针移动在第三象限,而递减类型的记忆电阻是相反的。

为了观察电路参数变化的影响的磁滞回线,所有被动的元素进行了蒙特卡罗分析与上面的电路参数,其中5%高斯偏差。因此,数字4(一)和4 (b)说明了仿真结果的递增和递减类型,分别。从蒙特卡罗分析结果可以看到,该仿真器电路具有合理的敏感性表现。

5。实验测试

模拟器与现成的电子设备电路也实现了一个原型PCB的实验验证和观察磁滞行为。电路参数实验测试中使用的不同的操作频率范围在表1。由于电压电流成正比吗与系数从图1,用于间接代表当前在实验的过程中测试。为了获得电压 ,额外的差分放大器电路由运算放大器也包括在实验测试平台,如图5。

当一个正弦电压信号 赫兹和 应用于仿真器电路、瞬态波形的和如图6(一)。磁滞回线是捏在原点- - - - - -平面如图6 (b)。当刺激频率增加到50赫兹和100赫兹,相应的滞回线所示数据吗6 (c)和6 (d),分别。检查数据6 (b)- - - - - -6 (d)清楚地表明,叶面积逐渐减少随着频率的增加,当增加到100赫兹的磁滞回线收缩成一条直线。相反,当刺激频率下降到7赫兹,导致 从(16),在图所示的磁滞回线6 (e)是不完整的,在一个即将消失的状态。数据6 (b)- - - - - -6 (e)证明记忆电阻器的独特属性,即磁滞回线的频率相关。

此外,为了保持高频率的磁滞回线,我们缩小电容器和10 nF。数据7(一)和7 (b)展示了实验结果 赫兹和 分别赫兹。当刺激频率增加到1 kHz, memductance吗主要是由线性定常电导和相应的磁滞回线近似一条直线,如图7 (c)。

同样的,当电容器和按比例缩小到1 nF,捏磁滞回路操作吗= 1 kHz, kHz,= 10 kHz给出数据8(一个),8 (b),8 (c),分别。当电容器和进一步缩小到100 pF,仿真器电路仍然可以执行滞后行为 kHz,如图9(一个)。不幸的是,当刺激频率增加到35 kHz,磁滞回线不捏在原点,从而执行不对称行为如图9 (b)。这个变形将变得越来越严重的增加刺激频率。图9 (c)说明了磁滞回线操作在50千赫。可以观察到,不仅捏磁滞回线偏离原点,也在第一和第三象限包围的区域是不平等的。

相同的递减类型模拟器上进行了实验测试。捏滞回线还可以通过更新电容器和对于不同的工作频率范围。例如,数据10 (),10 (b),10 (c)说明了磁滞回路操作在1 kHz, 5 kHz,分别和10 kHz。当电容器和按比例缩小到100 pF,磁滞回路操作10 kHz, 35赫兹,和50千赫中描述的数据吗(11日),11 (b),11 (c)。很明显从图11 (b)递减模拟器展览一个畸形的磁滞回线一样刺激时的增量模拟器执行频率增加到35 kHz的极限。这个变形主要是由于积分器电路nonidealities,构建 , , ,和和随着寄生在他们的元素终端。寄生的影响元素工作频率时可以忽略不计很低。但是,当工作频率单调增加,寄生元素表现为高补偿电压对积分器的输出电路。由于磁滞回线,不夹在原点,和在第一和第三象限包围的区域是不平等的。为了避免磁滞回线的变形,增量式和递减类型记忆电阻器只能用于从10赫兹到35千赫。

进一步验证仿真器的有效性,脉冲序列(0.5 V 10 ms持续时间30 ms)先后应用于仿真器的输入电路;当前的利用实验测量电路参数表1为 nF。数据12(一个)和12 (b)说明当前响应的增量式和递减类型记忆电阻器在连续的电压脉冲激励下,分别。增量型的电流增加更多的应用电压脉冲。因此,它可以间接推断一个memductance随输入电压脉冲,而递减类型,我们可以得出了相反的结论。

6。结论

在这篇文章中,一个浮动的模拟器的电路flux-controlled忆阻器已被提出。该模拟器非常简单,只包含两个CFOAs,两个乘数,三个电阻和两个电容器。模拟器已经建成和商用AD844 AD633 ICs。实验结果表明,该仿真器电路满足的三个指纹记忆电阻(30.),揭示励磁电压信号的频率如何修改其磁滞行为。相比现有的忆阻器电路模拟器,该模拟器不仅有一个简单的拓扑,也可以配置为一个递增或递减类型记忆电阻。此外,模拟器可以保持高频率的频率相关的磁滞回线通过更新电容器的值和 。详细比较了模拟器的电路与其它已发表的研究总结了表2。自从模拟器电路可以很容易地实现商用电子设备,它可以用于memristor-based电路设计和应用程序。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢中国国家自然科学基金(授予号。61176032和61176032)和湖南省自然科学基金(基金号。2015 jj2142和2015 jj2140)支持这项研究。

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