单位文秘网 2022-02-24 08:14:16 点击: 次
摘 要:忆阻器被认为是除了电阻,电感,电容外的第四种基本的电路元件,是一种具有记忆功能的非线性电阻。目前,忆阻器原理及其应用是电路学研究的热点和前沿问题之一。本文总结了忆阻器在不同环境下的常见的几种模型,并对模型进行了改进,另外对忆阻器在滤波电路上的应用进行了仿真。
关键词:忆阻器;仿真模型;Matlab;Simulink;电路
中图分类号:TP309.7 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2014) 06-0000-03
一、引言
在电路理论中,存在着四种基本的变量:电阻(R)、电容(C)、电感(L)、电流(I)、磁通量(φ)和电荷量(Q),从数学上分析,其中任意两个变量之间的关系存在着六种可能性,,其中五对关系式已经为大家所熟知——分别来自R、C、L、Q 的定义和法拉第电磁感应定律,但是磁通量φ和电荷Q 之间的关系迟迟未能确定。在1971[1]年,Chua教授从电路变量关系完整性角度提出了忆阻器的概念,忆阻器得名于其阻值对所通过的电量的依赖性,被认为是电阻,电容,电感以外第四种基本电路元件。
在2008年HP实验室发现了一种具有记忆功能的纳米双端电阻,其电气特性与Chua教授预测的忆阻器特性相符从而证实了忆阻器的存在。
HP实验室提出的元器件模型如图1所示。在两金属电极之间为金属氧化物半导体材料,假设该半导体材料薄膜厚度为D.在半导体薄膜中存在一个含高浓度掺杂物的区域(即掺杂区),其阻值很小,剩余的区域掺杂物浓度较低(即非掺杂区),阻值很大.W表示掺杂区的长度,其范围为[0,D].当给忆阻器施加了一个外部偏置电压时,掺杂区和非掺杂区的边界会随着带电杂质的漂移而移动.当W/D=1时,整个器件均为掺杂区,设此时忆阻器的阻值为Ron;当W/D=0时,整个器件均为非掺杂区,设此时忆阻器的阻值为Roff。通过W/D的变化可以反映出忆阻器阻值的变化。
对电阻的时间记忆特性使忆阻器在模型分析,基础电路设计,存储器设备制作方面有着广泛的应用。
在HP实验室提出的该物理模型中,当掺杂区和非掺杂区的边界靠近忆阻器两端的金属电极(即W 接近0或者D)时,杂质的迁移会受到明显的抑制.在这种情况下,需要更多的电荷或者更强的电场才能使掺杂区和非掺杂区的边界到达忆阻器任一端的金属电极.由于杂质迁移具有这种非线性的特点,使得忆阻器的阻值呈非线性变化。于是为在线性模型的基础上加上适当的窗口函数f(x)来体现出忆阻器的非线性性。
窗函数的选择使得忆阻器模型更加精确,更好的体现出当W接近闭区间[0,D]两端时,漂移的速度会受到强烈的抑制。
五、分析
从仿真结果看不难发现IV曲线具有滞回曲线特性。输入的电压为正弦信号,当开始正向递增时,随着流经电荷的增多,忆阻值递增。忆阻器阻抗是电压与电流的比值,在伏安曲线上通过斜率体现出来,所以当电压达到正向最大值之前曲线斜率正向递减;电压在到达最大值之后正向递减,流经忆阻器的电荷仍在递增,体现为忆阻递增,与电压正向递增时相比,同一个电压就对应更小的电流值。因此忆阻器的伏安特性是一个滞回曲线。
值得一提的是滞回曲线的形状是受偏置电压频率控制的,随着频率的增加,滞回曲线特性逐渐收缩。当频率趋于无穷时,滞回曲线也将趋于一条过原点的直线。此时忆阻器相当于一个普通的电阻。用线性模型进行仿真如图5。
频域分析:对于MC 低通滤波电路,由于忆阻器的阻抗随着流经的电荷不断变化,整个电路的频域响应特性也将随之改变。忆阻器阻抗随时间变化的曲线如图6所示。由图6可见,在此正弦电压信号的作用下,忆阻器阻抗呈现周期性变化,其变化周期等同于输入信号的周期。在特定时刻,忆阻器阻抗是定值。可以认为忆阻器是一个恒定电阻。随着时间的变化,忆阻器阻抗周期性变化,可以把MC 低通滤波电路看作是一个阻抗随时间做周期性变化的RC 低通滤波电路。
参考文献:
[1]Chua,L.O.:Memristor—The missing circuit element.IEEE Trans.Circuit Theory CT-18(5):507-519(1971).
[2]STRUKOV D B,SNIDER G S,STEWART D R,et al.The missing memristor found[J].Nature,2008,453:80-83.
[3]Hazem Elgabra,Ilyas A.H.Farhat,Ahmed S.Al Hosani,Dirar Homouz,Baker Mohammad Mathematical Modeling of a Memristor Device.2012 International Conference on Innovations in Information Technology.
[4]Zhou Jing,Huang Da The influences of model parameters on the characteristics of memristors.Chin.Phys.B Vol.21,No.4(2012)048401.
[5]李程.基于忆阻器的无源低通滤波电路研究[J].声学与电子工程,2012(01).
[作者简介] 熊昊(1992-),男,本科生,研究方向:射频集成电路设计。
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