譚斌冠

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

0 引言

1971年加州大學(xué)蔡少棠教授根據(jù)電路變量關(guān)系的完備性提出了憶阻器的概念及定義[1]。憶阻器描述了磁通和電荷的關(guān)系，是繼電阻、電感、電容之后的第四個(gè)基本電路元件[2]。憶阻器的本質(zhì)特征是當(dāng)通過(guò)正向電流時(shí)，其阻值會(huì)隨著流過(guò)的電荷量的增加而變大；當(dāng)通過(guò)反向電流時(shí)，其阻值會(huì)隨著流過(guò)的電荷量的減少而減少。憶阻器的符號(hào)表示如圖1所示。

圖1 憶阻器

2008年，HP公司發(fā)現(xiàn)了納米級(jí)別的憶阻器實(shí)物模型。然而該模型是在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室條件下制作而成，難以商業(yè)化?，F(xiàn)有的關(guān)于憶阻器的論文大多用憶阻器的數(shù)學(xué)模型或等效實(shí)現(xiàn)電路進(jìn)行仿真分析。

基于憶阻器的上述特性，本文提出用憶阻器替換截流型過(guò)電流保護(hù)電路的分壓電阻，從而更快速地提高保護(hù)電路三極管的基極電壓。將通過(guò)simulink搭建出憶阻器的等效實(shí)現(xiàn)電路模型，然后構(gòu)造基于憶阻器的截流型過(guò)電流保護(hù)電路并進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證。

1 基于simulink的憶阻器等效實(shí)現(xiàn)電路

通過(guò)simulink仿真構(gòu)建了憶阻器的等效實(shí)現(xiàn)電路，如圖2所示。其伏安特性曲線如圖3所示。

圖2 憶阻器的simulink模型

圖3 憶阻器的伏安特性曲線

2 基于憶阻器的截流型過(guò)電流保護(hù)電路

本文所構(gòu)造的基于憶阻器的截流型過(guò)電流保護(hù)電路如圖4所示。

圖4中Q1是調(diào)整管，R2是電流采樣電阻，它與Q2，R1和憶阻器M共同構(gòu)成了保護(hù)電路。開關(guān)S閉合時(shí)為提供過(guò)電流的條件。其中A點(diǎn)電位為：

UA=I0R2+U0

(1)

B點(diǎn)電位為：

(2)

根據(jù)A,B兩點(diǎn)的電位，求出Q2開關(guān)管b-e間電壓為：

(3)

對(duì)于傳統(tǒng)型截流型保護(hù)電路，正常運(yùn)行時(shí)，Q2的UBE2是低電位，所以Q2截止。當(dāng)輸出電流增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致A點(diǎn)的電位上升，通過(guò)電阻R1和接地電阻的分壓，使得Q2基極電壓UB2的電位也上升。當(dāng)輸出電流增大到閥值時(shí)，Q2導(dǎo)通，對(duì)調(diào)整管Q1的基極電流進(jìn)行分流，使得輸出電流減少，從而導(dǎo)致輸出電壓U0減少，UBE2進(jìn)一步增大，導(dǎo)致Q2的電流進(jìn)一步增大，對(duì)Q1的分流也增大，這便是傳統(tǒng)截流型保護(hù)電路的正反饋過(guò)程。

基于憶阻器的保護(hù)電路的保護(hù)過(guò)程與傳統(tǒng)型大致一樣，但是當(dāng)U1的電位上升，通過(guò)電阻R1和憶阻器M的分壓時(shí)，由于憶阻器的阻值會(huì)隨著電流增大而增大。這會(huì)使得與憶阻器一端相連的Q2基極電壓UB2的電位上升比傳統(tǒng)型更快，UBE2更快導(dǎo)通，同時(shí)Q2的分流作用也會(huì)更強(qiáng)烈，相同閥值的情況下，輸出電流降低的速度更快。

圖5和圖6分別給出了傳統(tǒng)的截流型過(guò)電流保護(hù)電路和基于憶阻器的過(guò)電流保護(hù)電路的輸出電流波形。

圖6 基于憶阻器的截流型過(guò)電流保護(hù)電路的輸出電流

從圖5和圖6可以看出，基于憶阻器的保護(hù)電路和傳統(tǒng)型保護(hù)電路在過(guò)電流前后的各支路電流值基本一樣，這說(shuō)明當(dāng)輸出電壓降為0時(shí)，最后穩(wěn)定的輸出電流是一樣的。但其過(guò)程卻不一樣。從輸出電流的波形變換圖可以看出，輸出電壓接地瞬間，輸出電流都會(huì)急劇上升，但是基于憶阻器的保護(hù)電路的超調(diào)量更大，這說(shuō)明基于憶阻器的保護(hù)電路的閥值更高。因?yàn)楫?dāng)輸出電壓接地時(shí)，輸出電流先是急劇上升到閥值，然后再回落到穩(wěn)定值。對(duì)于同樣的穩(wěn)定值和分流效果，閥值更高意味著電流能減少值更大。反過(guò)來(lái)說(shuō)，通過(guò)調(diào)節(jié)，使得憶阻器和電阻對(duì)應(yīng)的閥值一樣時(shí)，憶阻器的電流也將減少到更小的值，起到更好的保護(hù)作用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于憶阻器的截流型過(guò)電流保護(hù)電路，理論分析和電路仿真都驗(yàn)證了電路的正確性。

與傳統(tǒng)的截流型過(guò)電流保護(hù)電路相比，該模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 電路能有更高的閥值，從而降低電路的靈敏度，防止了電路的誤觸發(fā)。

2) 電路相比傳統(tǒng)型，當(dāng)保護(hù)電路被觸發(fā)時(shí)，能降低更多的電流，有效地抑制了干擾對(duì)電路造成的影響。

3) 由于憶阻器的阻值能隨流過(guò)的電流增大而增大，這樣保護(hù)管Q2基極的觸發(fā)電壓是呈加速度增大，而傳統(tǒng)型保護(hù)管Q2的基極是呈線性增大，所以憶阻器的響應(yīng)時(shí)間會(huì)比傳統(tǒng)型的保護(hù)電路的響應(yīng)時(shí)間更快。