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1、(10)申请公布号 CN 103559328 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103559328 A (21)申请号 201310274757.5 (22)申请日 2013.07.02 G06F 17/50(2006.01) (71)申请人 华南理工大学 地址 510641 广东省广州市天河区五山路 381 号 (72)发明人 丘东元 韦兆华 张波 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 44245 代理人 蔡茂略 (54) 发明名称 一种忆容器的实现电路及其实现方法 (57) 摘要 本发明公开了一种荷控型忆容器的实现电 路， 包括输入交流电压源、 电荷控制。
2、型电压源、 电 容和电阻。本发明还公开了一种应用于忆容器 的实现电路的实现方法， 包括以下步骤 ： 步骤 1、 第一电压采样器对电容电压信号 vC进行采集， 其 输出电压 vCo为 vCo=vC； 步骤 2、 第二电压采样器 对输入电压信号 vin进行采集， 其输出电压 vDo为 vDo=vin； 步骤 3、 将 vCo输入到积分器进行积分 ； 步 骤 4、 对积分器的输出电压信号进行偏置处理 ； 步 骤 5、 利用乘法器把输入电压信号 vin与偏置后的 积分信后相乘 ； 步骤 6、 计算忆容值。具有可根据 应用场合的需要， 通过调节直流电压源 VDC、 电容 CL、 积分器系数和电荷积分的大。
3、小， 改变忆容器的 工作范围等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103559328 A CN 103559328 A 1/2 页 2 1. 一种忆容器的实现电路， 其特征在于， 包括输入交流电压源 （10） 、 电荷控制型电压 源、 电容 （8） 和电阻 （9） ， 所述输入交流电压源 （10） 、 电容 （8） 和电阻 （9） 依次连接， 交流电 压源 （10） 、 电容 （8） 和电阻 （9） 均与电荷控制型电压源连接。。
4、 2. 根据权利要求 1 所述的忆容器的实现电路， 其特征在于， 所述电荷控制型电压源包 括第一电压采样器 （1） 、 积分器 （2） 、 加法器 （3） 、 乘法器 （4） 、 第二电压采样器 （5） 、 减法器 （6） 和可调直流电压源 （7） ； 输入交流电压源 （10） 的一端 （P） 与电容 （8） 的一端 （A） 连接， 电容 （8） 的另一端 （B） 与电阻 （9） 的一端 （C） 和减法器 （6） 的输出端 （So） 连接， 电阻 （9） 的 另一端 （D） 与输入交流电压源 （10） 的另一端 （N） 连接 ； 第一电压采样器 （1） 的第一输入端 （C1） 与电容 （8） 。
5、的一端 （A） 连接， 第一电压采样器 （1） 的第二输入端 （C2） 与输入电容 （8） 的另一端 （B） 端连接， 第一电压采样器 （1） 的输出端 （Co） 与积分器 （2） 的输入端 （Ii） 连 接 ； 积分器 （2） 的输出端 （Io） 与加法器 （3） 的第一输入端 （A1） 连接 ； 加法器 （3） 的第二输 入端 （A2） 与可调直流电压源 （7） 的正端连接， 可调直流电压源 （7） 的负端与输入交流电压 源 （10） 的另一端 （N） 连接 ； 加法器 （3） 的输出端 （Ao） 与乘法器 （4） 的第一输入端 （M1） 连 接 ； 第二电压采样器 （5） 的第一输入端 。
6、（D1） 与输入交流电压源 （10） 的一端 （P） 连接 ； 第二 电压采样器 （5） 的第二输入端 （D2） 与输入交流电压源 （10） 的另一端 （N） 连接， 第二电压采 样器 （5） 的输出端 （Co） 与乘法器 （4） 的第二输入端 （M2） 及减法器 （6） 的同相输入端 （S1） 连接 ； 乘法器 （4） 的输出端 （Mo） 与减法器 （6） 的反相输入端 （S2） 连接。 3. 一种应用于权利要求 1 所述的忆容器的实现电路的实现方法， 其特征在于， 包括以 下步骤 ： 步骤 1、 第一电压采样器 （1） 对电容电压信号 vC进行采集， 其输出电压 vCo为 vCo=vC； 。
7、步骤 2、 第二电压采样器 （5） 对输入电压信号 vin进行采集， 其输出电压 vDo为 vDo=vin； 步骤 3、 将 vCo输入到积分器 （2） ， 设积分器 （2） 的积分常数为 k， 故积分器 （2） 的输出电 压 vIo为 ： vIo=k vCodt=k vCdt ； 步骤 4、 对积分器 （2） 的输出电压信号进行偏置处理， 即将 vIo与直流电压源 （10） 的输 出电压 VDC输入到加法器 （3） 进行相加， 得到加法器 （3） 的输出电压 vAo为 ： vAo=vA1+vA2=vIo+VDC=VDC+k vCdt ； 式中， vA1和 vA2为加法器 （3） 的输入信号，。
8、 vA1=vIo， vA2=VDC； 步骤 5、 利用乘法器 （4） 将加法器 （3） 的输出电压信号 vAo与第二电压采样器 （5） 的输 出电压信号 vDo相乘， 得到乘法器 （4） 的输出电压 vMo为 ： vMo=vM1vM2=vAovDo=vin(VDC+k vCdt)， 式中， vM1和 vM2为乘法器 （4） 的输入信号， vM1=vAo， vM2=vDo； 步骤 6、 计算忆容值 CM。 4. 根据权利要求 3 所述的实现方法， 其特征在于， 所述步骤 6 包括以下步骤 ： A、 利用减法器 （6） 把乘法器 （4） 的输出电压信号 vMo与第一电压采样器 （1） 的输出电压 。
9、信号 vCo相减， 得到减法器 （6） 的输出电压 vSo为 ： vSo=vS1-vS2=vCo-vMo=vin-vin(VDC+k vCdt)， 式中， vS1为减法器 （6） 的被减数输入信号， VDC为可调直流电压源 （7） 两端的电压值， CL 为电容 （8） 的电容值， vS2为减数输入信号， vS1=vCo， vS2=vMo； 权 利 要 求 书 CN 103559328 A 2 2/2 页 3 B、 由于 vR=vSo， 可得电容 8 上的电压 vC为 ： 式中， C= qCdt 为电荷量 qC对时间的积分值， C、 由于流过电容 8 的电流等于输入电流 iin， 因此输入电荷量。
10、 qin的大小为 D、 可得到的荷控型忆容器的忆容值 CM表达式为 式中， C0=CLVDC， =C。 权 利 要 求 书 CN 103559328 A 3 1/7 页 4 一种忆容器的实现电路及其实现方法 技术领域 0001 本发明涉及一种忆容器的电路实现技术， 特别涉及一种忆容器的实现电路及其实 现方法， 本发明采用一系列电子电路构造一个具有荷控型忆容器特性的等效电路。 背景技术 0002 美国伯克利大学蔡少棠教授于 1971 年首次提出除了电阻、 电容和电感之外的第 四种基本电路元件， 即 “忆阻器” 。随后将 “忆阻器” 的概念进行拓展， 得到了其他具有记忆 特性的忆阻元件， 如 “忆。
11、容器” 和 “忆感器” 。 0003 若将磁通量对时间的积分值定义为磁通积分=dt， 将电荷量q对时间的 积分值定义为电荷积分=qdt， 那么电压v、 电流i、 磁通、 电荷q、 磁通积分和电荷 积分 这 6 个变量之间的关系如图 1 所示， 其中忆容器用于表示 d 与 d 之间的关系， 其定义为 0004 0005 其中y为状态变量， 可为电荷的积分值或磁通量。 相应地可以得到电荷积分 控制型忆容器 （简称为 “荷控型忆容器” ） 和磁通控制型忆容器 （简称为 “磁控型忆容器” ） 两 种类型的忆容器。其中荷控型忆容器的忆容值表达式为 0006 0007 自 忆 容 器 的 概 念 被 提 。
12、出 后， 对 忆 容 器 的 研 究 仅 限 于 计 算 机 仿 真 模 型。如文献 1（Biolek,Z.,Biolek,D.and Biolkova,V.,SPICE modelling of memcapacitor,ELECTRONICS LETTERS,2010,Vol.46,No.7） 提出了一种在 PSPICE 仿真环境 下搭建的忆容器模型， 文献 2（何朋飞， 王丽丹， 段书凯等忆容器的 Simulink 模型及其 主要特性分析， 电子科技大学学报， 2011， 40(5):648-651） 在 Simulink 的仿真环境下对忆 容器进行了建模和分析， 但现阶段均没有搭建符合。
13、忆容器特性的电路实物模型， 无法在实 际中开展忆容器的研究， 阻碍了忆容器的发展和应用。 发明内容 0008 本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足， 提供一种忆容器的实现电路 （忆容器是一种具有记忆功能的电容性元件） ， 该电路的实现方式简单。 0009 本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足， 提供一种应用于忆容器的实 现电路的实现方法， 该方法可靠性高。 0010 本发明的首要目的通过下述技术方案实现 ： 一种忆容器的实现电路， 包括输入交 流电压源 10、 电荷控制型电压源、 电容 8 和电阻 9， 所述输入交流电压源 10、 电容 8 和电阻 9 依次连接， 交流电压源1。
14、0、 电容8和电阻均与电荷控制型电压源连接。 电荷控制型电压源输 说 明 书 CN 103559328 A 4 2/7 页 5 出电压 vSo与输入电荷 qin的大小相关， 通过控制电阻 9 上的电压大小， 使输入电荷 qin与输 入交流电压 vin之间满足荷控型忆容器关系， 电容 8 为一个固定电容。 0011 所述电荷控制型电压源包括第一电压采样器1、 积分器2、 加法器3、 乘法器4、 第二 电压采样器 5、 减法器 6 和可调直流电压源 7 ； 输入交流电压源 10 的一端 P 与电容 8 的一 端 A 连接， 电容 8 的另一端 B、 电阻 9 的一端 C 和减法器 6 的输出端 S。
15、o 连接， 电阻 9 的另一 端 D 与输入交流电压源 10 的另一端 N 连接 ； 第一电压采样器 1 的第一输入端 C1 与电容 8 的一端 A 连接， 第一电压采样器 1 的第二输入端 C2 与输入电容 8 的另一端 B 端连接， 第一 电压采样器 1 的输出端 Co 与积分器 2 的输入端 Ii 连接 ； 积分器 2 的输出端 Io 与加法器 3 的第一输入端 A1 连接 ； 加法器 3 的第二输入端 A2 与可调直流电压源 7 的正端连接， 可调直 流电压源 7 的负端与输入交流电压源 10 的另一端 N 连接 ； 加法器 3 的输出端 Ao 与乘法器 4 的第一输入端 M1 连接 。
16、； 第二电压采样器 5 的第一输入端 D1 与输入交流电压源 10 的一端 P 连接 ； 第二电压采样器 5 的第二输入端 D2 与输入交流电压源 10 的另一端 N 连接， 第二电 压采样器 5 的输出端 Co 与乘法器 4 的第二输入端 M2 及减法器 6 的同相输入端 S1 连接 ； 乘 法器 4 的输出端 Mo 与减法器 6 的反相输入端 S2 连接。 0012 第一电压采样器、 积分器、 加法器、 乘法器、 第二电压采样器、 减法器、 可调直流电 压源、 电容和电阻， 通过控制电阻的电压， 实现对输入电荷的间接控制， 使得输入电荷与输 入交流电压之间符合荷控型忆容器的电压电荷关系， 。
17、从而等效地获得一个荷控型忆容器。 0013 本发明的另一目的通过以下技术方案实现 ： 一种应用于忆容器的实现电路的实现 方法， 包括以下步骤 ： 0014 步骤 1、 第一电压采样器 1 对电容电压信号 vC进行采集， 其输出电压 vCo为 vCo=vC， 0015 步骤2、 第二电压采样器5对输入电压信号vin进行采集， 其输出电压vDo为vDo=vin， 0016 步骤 3、 将 vCo输入到积分器 2， 设积分器 2 的积分常数为 k， 故积分器 2 的输出电 压 vIo为 ： 0017 vIo=k vCodt=k vCdt， 0018 步骤 4、 对积分器 2 的输出电压信号进行偏置处。
18、理， 即将 vIo与直流电压源 10 的输 出信号 VDC输入到加法器 3 进行相加， 得到加法器 3 的输出电压 vAo为 ： 0019 vAo=vA1+vA2=vIo+VDC=VDC+k vCdt， 0020 式中， vA1和 vA2为加法器 3 的输入信号， vA1=vIo， vA2=VDC； 0021 步骤 5、 利用乘法器 4 将加法器 3 的输出电压信号 vAo与第二电压采样器 5 的输出 电压信号 vDo相乘， 得到乘法器 4 的输出电压 vMo为 ： 0022 vMo=vM1vM2=vAovDo=vin(VDC+k vCdt)， 0023 式中， vM1和 vM2为乘法器 4 。
19、的输入信号， vM1=vAo， vM2=vDo； 0024 步骤 6、 利用减法器 6 把乘法器 4 的输出电压信号 vMo与第一电压采样器 1 的输出 电压信号 vCo相减， 得到减法器 6 的输出电压 vSo为 ： 0025 vSo=vS1-vS2=vCo-vMo=vin-vin(VDC+k vCdt)， 0026 式中， vS1为减法器 6 的被减数输入信号， vS2为减数输入信号， vS1=vCo， vS2=vMo； 0027 由于 vR=vSo， 可得电容 8 上的电压 vC为 ： 0028 说 明 书 CN 103559328 A 5 3/7 页 6 0029 式中， C= qCd。
20、t 为电荷量 qC对时间的积分值， 0030 由于电容电流等于输入电流 iin， 因此输入电荷量 qin的大小为 0031 0032 即可得到的荷控型忆容器的忆容值 CM表达式为 0033 0034 式中， C0=CLVDC， =C。 0035 通过调节电容值 CL、 直流电压 VDC、 积分常数 k 和电荷积分 C， 可得到不同参数的 忆容器。 0036 具体的计算方法如下 ： 第一电压采样器对电容 8 上的电压信号 vC进行采集， 第一 电压采样器的输出电压 vCo为 0037 vCo=vC， （3） 0038 第二电压采样器对输入电压信号 vin进行采集， 第二电压采样器的输出电压 vD。
21、o为 0039 vDo=vin， （4） 0040 将 vCo输入到积分器， 设积分器的积分常数为 k， 故积分器的输出电压 vIo为 0041 vIo=k vCodt=k vCdt， （5） 0042 对积分器的输出电压信号进行偏置处理， 即将 vIo与一个直流电压信号 VDC输入到 加法器， 故加法器的输出电压 vAo为 0043 vAo=vA1+vA2=vIo+VDC=VDC+k vCdt， （6） 0044 式中， vA1和 vA2为加法器的输入信号， vA1=vIo， vA2=VDC； 0045 将 vAo与 vDo输入到乘法器进行相乘， 得到乘法器的输出电压 vMo为 0046 v。
22、Mo=vM1vM2=vAovDo=vin(VDC+k vCdt)， （7） 0047 式中， vM1和 vM2为乘法器的输入信号， vM1=vAo， vM2=vDo； 0048 随后将 vMo与 vCo输入到减法器中进行相减， 得到减法器的输出电压 vSo为 0049 vSo=vS1-vS2=vCo-vMo=vin-vin(VDC+k vCdt)， （8） 0050 式中， vS1为减法器的被减数输入信号， vS2为减数输入信号， vS1=vCo， vS2=vMo， VDC为 可调直流电压源 7 两端的电压值 ； 0051 从图 2 可知， 电容 8 与输入交流电压源 10 串联， CL为电容。
23、 8 的电容值， 流过电容 8 的电流 iC等于输入电流 iin， 因此电路输入电荷量的大小为 qin= iindt= iCdt=qC。而电 容 CL上的电荷 qC满足 0052 故 qin=CLvC。 0053 由于电阻 9 上的电压等于减法器 （6） 的输出电压 vSo， 即 vR=vSo， 有 0054 说 明 书 CN 103559328 A 6 4/7 页 7 0055 式中， C= qCdt 表示电容 CL上电荷 qC的积分。故 vR实际上是一个与电荷量 qC 有关的电压， 可看作一个电荷控制型电压源。 0056 已知故输入电荷量 qin的大小为 0057 0058 因此， 本发明。
24、所得到的荷控型忆容器的忆容值 CM表达式为 0059 0060 式中 C0=CLVDC， =C。 0061 显然式 （11） 符合忆容值的定义， 证明了本发明电路的正确性。 0062 本发明的工作原理 ： 本发明利用电子电路构造了一个基于电荷控制型电压源 vSo， 使电路的输入电荷和输入电压之间符合忆容器的定义， 整个电路相当于一个荷控型忆容 器。 0063 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果 ： 0064 1、 本发明提供的一种实现荷控型忆容器的电路及方法， 所得到的电路输入电荷与 输入电压关系符合荷控型忆容器的定义 （即背景技术中的式 （2） ） ， 整个电路相当于一个荷 控型忆容器。
25、。 0065 2、 本发明提供的一种实现荷控型忆容器的电路及方法， 具有电路简单、 工作可靠 的特点， 还可以根据实际应用需要， 通过设定电路参数， 灵活调节忆容值的大小。 0066 3、 本发明提供的荷控型忆容器电路具有易于集成化的特点， 能够直接应用于实际 电路中。本发明所提供的一种实现忆容器的电路及方法， 为今后荷控型忆容器的实际应用 提供了参考。 附图说明 0067 图 1 是电路中 6 个变量的关系图 ； 该 6 个变量为电压 v、 电流 i、 磁通 、 电荷 q、 磁 通积分 和电荷积分 。 0068 图 2 是本发明提出的荷控型忆容器电路模型。 0069 图 3 是本发明一种实施。
26、方式的实验电路图。 0070 图 4 是图 3 实验电路对应的输入电压 vin、 电容电压 vC和输入电流 iin的波形图。 具体实施方式 0071 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述， 但本发明的实施方式不限 于此。 说 明 书 CN 103559328 A 7 5/7 页 8 0072 实施例 0073 如图 1 所示， 在电压 v、 电流 i、 磁通 、 电荷 q、 磁通积分 和电荷积分 之间的 相互关系中， 忆容值用于表示 与 之间的关系， 即 0074 0075 如图 2 所示， 第一电压采样器 1 对电容 8 上的电压信号 vC进行采集， 其输出电压 vCo为 0076。
27、 vCo=vC， （13） 0077 第二电压采样器 5 对输入电压信号 vin进行采集， 其输出电压 vDo为 0078 vDo=vin， （14） 0079 将 vCo输入到积分器 2， 设积分器 2 的积分常数为 k， 故积分器 2 的输出电压 vIo为 0080 vIo=k vCodt=k vCdt， （15） 0081 对积分器 2 的输出电压 vIo进行偏置处理， 即将 vIo与一个直流电压源 7 的输出电 压信号 VDC输入到加法器， 得到加法器 3 的输出电压 vAo为 0082 vAo=vA1+vA2=vIo+VDC=VDC+k vCdt， （16） 0083 式中， vA1。
28、和 vA2为加法器 3 的输入信号， vA1=vIo， vA2=VDC； 0084 加法器 3 的输出电压信号 vAo与采样的输入电压信号 vDo输入到乘法器 4 进行相 乘， 得到乘法器 4 的输出电压 vMo为 0085 vMo=vM1vM2=vAovDo=vin(VDC+k vCdt)， （17） 0086 式中， vM1和 vM2为乘法器 4 的输入信号， vM1=vAo， vM2=vDo； 0087 随后乘法器4的输出电压信号vMo与采样的输入电压信号vCo输入到减法器6进行 相减， 得到减法器 6 的输出电压 vSo为 0088 vSo=vS1-vS2=vCo-vMo=vin-vi。
29、n(VDC+k vCdt)， （18） 式中， vS1为减法器 6 的被减数输 入信号， vS2为减数输入信号， vS1=vCo， vS2=vMo； 0089 从图 2 可知， 电容 8 与输入交流电压源 10 串联， 流过电容 8 的电流 iC等于输入电 流 iin， 因此电路输入电荷量的大小为 qin= iindt= iCdt=qC。而电容 8 上的电荷 qC满足 故 qin=CLvC。 0090 由于电阻 9 上的电压等于减法器 6 的输出电压 vSo， 即 vR=vSo， 有 0091 0092 式中， C= qCdt 表示电容 8 上电荷 qC的积分。故 vR实际上是一个与电荷量 q。
30、C 有关的电压， 可看作一个电荷控制型电压源。 0093 已知故输入电荷量 qin的大小为 0094 说 明 书 CN 103559328 A 8 6/7 页 9 0095 因此， 本发明所得到的荷控型忆容器的忆容值 CM表达式为 0096 0097 式中 C0=CLVDC， =C。 0098 显然式 （21） 符合忆容值的定义， 证明了本发明电路的正确性。 0099 图 3 为根据本发明搭建的电路图， 包括 3 个 LM358 运算放大器， 其中第一个 LM358 中的第一运放管 op1构成图 2 的第二电压采样器 5， 其输出电压为 vDo=vin， 第二运 放管 op2与第一电阻 R1、。
31、 第二电阻 R2、 第三电阻 R3、 第四电阻 R4构成图 2 的第一电压采样 器 1， 设 R1=R2=R3=R4， 其输出电压为 vCo=-vC； 第二个 LM358 中的运放管 op1与第五电阻 R5、 第二电容 C1组成图 2 的积分器 2， 其输出电压为 第三个 LM358 的运放管 op1与第六电阻 R6、 第七电阻 R7、 第八电阻 R8组成图 2 的加法 器 3， 其输出电压为将模拟乘法器 AN734 的 U0、 U1、 U2、 X1及 Y1端接地， Z1与 W 短接， 得到的输入输出关系为 可 同 时 实 现 图 2 的 乘 法 器 5 和 减 法 器 6 的 功 能， 乘 。
32、法 器 AN734 的 输 出 电 压 为 因 此 第 一 电 容 CL上 的 电 压 为 输 入 电 荷 量 的 大 小 为 该电路相应得到 的忆容值大小为 0100 设 VDC=10V、 CL=2F、 RD=1M、 R1=R2=R3=R4=10k、 R5=1k、 R6=R7=R8=10k、 C1=2F 且设定积分器 2 的输出电压范围为时， 得到忆容值的大小范围为 CM=2 3F。当输入交流电压 vin大小为 5V/100Hz 时， 输入电压 vin、 电容电压 vC和输入电 流 iin的波形如图 4 所示。已知 vC与输入电荷 qin成正比， 由图 4 可见， 本发明所提供的荷 说 明 书 CN 103559328 A 9 7/7 页 10 控型忆容器实现电路能得到与理想荷控型忆容器完全一致的特性。 0101 上述实施例为本发明较佳的实施方式， 但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制， 其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、 修饰、 替代、 组合、 简化， 均应为等效的置换方式， 都包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103559328 A 10 1/2 页 11 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103559328 A 11 2/2 页 12 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103559328 A 12 。