一种基于忆阻器的带宽可调的滤波电路及其操作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于忆阻器的带宽可调的低通滤波电路及其操作方法，该电路由包含忆阻器的一阶有源低通滤波电路以及忆阻器的编程电路构成。本发明专利技术利用忆阻器的阈值电压特性，将忆阻器的工作模式划分为模拟工作模式和编程工作模式，通过改变忆阻器的阻值改变滤波电路的带宽。编程电路由忆阻器、四个NMOS管以及四个PMOS管构成，一阶有源滤波电路则由忆阻器、电容以及运算放大器构成。本发明专利技术还公开了一种基于忆阻器的带宽可调的高通滤波电路及其操作方法，均具备有源滤波电路输入阻抗低、输出阻抗高的优势同时编程电路具备占用体积小、集成度高、功耗低以及操作简单的优势，适用于对信号的滤波处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于模拟电路
，更具体地，涉及一种基于忆阻器的带宽可调的滤波电路及其操作方法。
技术介绍
滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，工程上常用它来做信号处理、数据传送和抑制干扰等。模拟滤波器常由无源元件电阻、电容以及集成运放组成有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。在很多通信以及信号通路的应用中，模拟滤波器是必不可少的。相比于传统滤波电路，小的几何尺寸、低的耗散功率以及简单的可编程性将会是发展的方向，而忆阻器是实现预期的可编程模拟滤波器的有力选择。忆阻器最早由蔡少棠教授在1971年提出，被誉为是除电阻、电容、电感之外第四种基本电路元件。通常来说，忆阻器是一个两端器件，结构简单且器件尺寸仅在纳米尺度，具有高的集成度。另外，忆阻器是一种非易失性器件，还具有擦写速度快、存储密度高、重复擦写次数高以及功耗低等优点。阈值电压特性是忆阻器非常重要的特性，只有当忆阻器两端电压降大于其阈值电压时，忆阻器的阻值才会发生改变。这将使得忆阻器由于阈值电压的存在将其工作状态划分为模拟工作状态以及编程工作状态。模拟工作状态下，忆阻器作为一个普通电阻。编程工作状态下，忆阻器作为一个非线性电阻可以通过脉冲对其电阻值进行调控。这将极大的改善传统模拟电路的工作性能，实现关键参数的可调，例如带宽。现有技术(申请号为201310216431.7，专利技术名称为一种基于忆阻器件的低通、高通、带通、带阻滤波器)公开了基于一种忆阻器的低通、高通、带通、带阻滤波电路，其通过加载在忆阻器两端输入信号频率的高低差异实现忆阻器阻值的变化，通过分压达到滤波效果。然而，该方案存在一些缺陷或不足：(1)该电路利用低频率信号改变忆阻器阻值而高频率信号来不及改变忆阻器阻值的特性实现低通滤波特性，但并不能给出临界频率值，这与忆阻器的制造技术有关，具有很大的不确定性；(2)该电路利用信号本身的幅值来改变忆阻器的阻值，因此只适用于大信号电路，对小信号电路并不适用。另外，该电路输入信号幅值大小的变化也会较小的改变忆阻器的阻值，因而对输出信号的幅值造成影响，进而影响滤波性能；(3)该电路的临界频率值与忆阻器的制造技术有关，一旦器件确定便不可更改，因此该电路是一个带宽固定的模拟滤波电路，不能够实现带宽可调，相比于传统的模拟滤波电路改进程度有限。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于忆阻器的带宽可调的滤波电路，旨在解决现有技术中的滤波电路不能实现带宽可调的技术问题。本专利技术提供了一种基于忆阻器的带宽可调的低通滤波电路，包括：阻变元件M、第一电容C1、运算放大器A、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、第五NMOS管M5、第六NMOS管M6、第七PMOS管M7和第八PMOS管M8；所述阻变元件M的正极与所述运算放大器A的正向输入端相连，所述阻变元件M的负极用于与信号输入端Vin相连；所述第一电容C1的一端与所述运算放大器A的正向输入端相连，所述第一电容C1的另一端接地；所述运算放大器A的负向输入端与输出端相连构成电压跟随器，所述运算放大器A的输出端作为信号输出端；所述第一NMOS管M1的漏极与所述第二NMOS管M2的源极相连，所述第一NMOS管M1的栅极与脉冲输入端PWL相连，所述第一NMOS管M1的源极与衬底相连并接地；所述第二NMOS管的漏极与所述第二NMOS管的栅极相连并与所述阻变元件的负极相连，所述第二NMOS管的源极与衬底相连；所述第三PMOS管的漏极与所述第四PMOS管的源极相连，所述第三PMOS管的栅极与脉冲输入端PWL相连，所述第三PMOS管的源极与衬底相连并接地；所述第四PMOS管的漏极与所述第四PMOS管的栅极相连并与阻变元件的负极相连，所述第四PMOS管的源极与其衬底相连；所述第五NMOS管的漏极与所述第六NMOS管的源极相连，所述第五NMOS管的栅极接地，所述第五NMOS管的源极与其衬底相连并与脉冲输入端相连；所述第六NMOS管的漏极与所述第六NMOS管的栅极相连并与阻变元件的正极相连，所述第六NMOS管的源极与其衬底相连；所述第七PMOS管的漏极与所述第八PMOS管的源极相连，所述第七PMOS管的栅极接地，所述第七PMOS管的源极与其衬底相连并与脉冲输入端相连；所述第八PMOS管的漏极与所述第八PMOS管的栅极相连并与阻变元件的正极相连，所述第八PMOS管的源极与其衬底相连。其中，忆阻器正极是指从正极施加大于正向阈值电压Vtp的电压会使忆阻器从高阻状态转变成低阻状态；所述忆阻器的负极是指从负极施加小于负向阈值电压Vtn的电压会使忆阻器从低阻状态转变成高阻状态。更进一步地，第二NMOS管、第四PMOS管、第六NMOS管、第八PMOS管可替换为二极管；所述的第一NMOS管、第三PMOS管、第五NMOS管、第七PMOS管可替换为压控开关。更进一步地，所述阻变元件M为具有阈值电压特性的忆阻器，信号输入端Vin输入信号；当脉冲输入端PWL为零时，所述忆阻器工作在模拟工作模式，其两端的电压差介于正向阈值电压Vtp和负向阈值电压Vtn之间，忆阻器的阻值不会发生改变；当脉冲输入端PWL输入脉冲时，忆阻器工作在编程工作模式，通过脉冲对其阻值进行编程操作。更进一步地，所述低通滤波电路的特征角频率特征频率其中，R为忆阻器的阻值，C为第一电容C1的电容值。通过给所述脉冲输入端PWL施加脉冲使得阻变元件M的阻值发生改变的同时，也使得所述电路的特征角频率以及特征频率发生改变，从而使得滤波电路的带宽发生改变，进而实现带宽可调。本专利技术还提供了一种基于上述的低通滤波电路的操作方法，包括以下步骤：S11：通过在所述信号输入端Vin施加信号电压，同时在所述脉冲输入端施加零电压，使得所述的忆阻器低通滤波电路正常工作，信号输出端Vo正常输出；S12：通过给脉冲输入端施加正向脉冲使得第一NMOS管和第七PMOS管导通，电流由脉冲输入端PWL经第七PMOS管、第八PMOS管从正向流经阻变元件M后再经第二NMOS管、第一NMOS管流到地端；从而改变了所述阻变元件M的阻值；S13：通过给脉冲输入端施加负向脉冲使得第三PMOS管和第六NMOS管导通，电流由地端经第三PMOS管、第四PMOS管从负向流经阻变元件M后再经第六NMOS管、第五NMOS管留到脉冲信号的输入端；从而改变了所述阻变元件M的阻值。本专利技术还提供了一种基于忆阻器的带宽可调的高通滤波电路，包括：阻变元件M、第一电容C、运算放大器A、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS管M3和第四PMOS管M4；所述阻变元件M的正极接地，所述阻变元件M的负极与所述运算放大器A的正向输入端相连；所述第一电容C的一端作为信号输入端Vin，所述第一电容C的另一端与所述阻变元件M的负极相连；所述运算放大器A的负向与所述运算放大器A的输出端相连构成电压跟随器，所述运算放大器A的输出端作为信号输出端Vout；所述第一NMOS管M1的漏极与所述第二NMOS管M2的源极相连，所述第一NMOS管M1的栅极接地，所述第一NMOS管M1的源极与其衬底相连并与脉冲输入端PWL相连；所述第二NMOS管M2的漏极与所述第二NMOS管M2的栅极相连并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于忆阻器的带宽可调的低通滤波电路，其特征在于，包括：阻变元件M、第一电容C1、运算放大器A、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、第五NMOS管M5、第六NMOS管M6、第七PMOS管M7和第八PMOS管M8；所述阻变元件M的正极与所述运算放大器A的正向输入端相连，所述阻变元件M的负极用于与信号输入端Vin相连；所述第一电容C1的一端与所述运算放大器A的正向输入端相连，所述第一电容C1的另一端接地；所述运算放大器A的负向输入端与输出端相连构成电压跟随器，所述运算放大器A的输出端作为信号输出端；所述第一NMOS管M1的漏极与所述第二NMOS管M2的源极相连，所述第一NMOS管M1的栅极与脉冲输入端PWL相连，所述第一NMOS管M1的源极与衬底相连并接地；所述第二NMOS管的漏极与所述第二NMOS管的栅极相连并与所述阻变元件的负极相连，所述第二NMOS管的源极与衬底相连；所述第三PMOS管的漏极与所述第四PMOS管的源极相连，所述第三PMOS管的栅极与脉冲输入端PWL相连，所述第三PMOS管的源极与衬底相连并接地；所述第四PMOS管的漏极与所述第四PMOS管的栅极相连并与阻变元件的负极相连，所述第四PMOS管的源极与其衬底相连；所述第五NMOS管的漏极与所述第六NMOS管的源极相连，所述第五NMOS管的栅极接地，所述第五NMOS管的源极与其衬底相连并与脉冲输入端相连；所述第六NMOS管的漏极与所述第六NMOS管的栅极相连并与阻变元件的正极相连，所述第六NMOS管的源极与其衬底相连；所述第七PMOS管的漏极与所述第八PMOS管的源极相连，所述第七PMOS管的栅极接地，所述第七PMOS管的源极与其衬底相连并与脉冲输入端相连；所述第八PMOS管的漏极与所述第八PMOS管的栅极相连并与阻变元件的正极相连，所述第八PMOS管的源极与其衬底相连。...

【技术特征摘要】
1.一种基于忆阻器的带宽可调的低通滤波电路，其特征在于，包括：阻变元件M、第一电容C1、运算放大器A、第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS管M3、第四PMOS管M4、第五NMOS管M5、第六NMOS管M6、第七PMOS管M7和第八PMOS管M8；所述阻变元件M的正极与所述运算放大器A的正向输入端相连，所述阻变元件M的负极用于与信号输入端Vin相连；所述第一电容C1的一端与所述运算放大器A的正向输入端相连，所述第一电容C1的另一端接地；所述运算放大器A的负向输入端与输出端相连构成电压跟随器，所述运算放大器A的输出端作为信号输出端；所述第一NMOS管M1的漏极与所述第二NMOS管M2的源极相连，所述第一NMOS管M1的栅极与脉冲输入端PWL相连，所述第一NMOS管M1的源极与衬底相连并接地；所述第二NMOS管的漏极与所述第二NMOS管的栅极相连并与所述阻变元件的负极相连，所述第二NMOS管的源极与衬底相连；所述第三PMOS管的漏极与所述第四PMOS管的源极相连，所述第三PMOS管的栅极与脉冲输入端PWL相连，所述第三PMOS管的源极与衬底相连并接地；所述第四PMOS管的漏极与所述第四PMOS管的栅极相连并与阻变元件的负极相连，所述第四PMOS管的源极与其衬底相连；所述第五NMOS管的漏极与所述第六NMOS管的源极相连，所述第五NMOS管的栅极接地，所述第五NMOS管的源极与其衬底相连并与脉冲输入端相连；所述第六NMOS管的漏极与所述第六NMOS管的栅极相连并与阻变元件的正极相连，所述第六NMOS管的源极与其衬底相连；所述第七PMOS管的漏极与所述第八PMOS管的源极相连，所述第七PMOS管的栅极接地，所述第七PMOS管的源极与其衬底相连并与脉冲输入端相连；所述第八PMOS管的漏极与所述第八PMOS管的栅极相连并与阻变元件的正极相连，所述第八PMOS管的源极与其衬底相连。2.如权利要求1所述的低通滤波电路，其特征在于，所述第二NMOS管、第四PMOS管、第六NMOS管、第八PMOS管可替换为二极管，所述第二NMOS管和第六NMOS管的漏极与二极管的正极对应，所述第二NMOS管和第六NMOS管的源极与二极管的负极对应，所述第四PMOS管和第八PMOS管的源极与二极管的正极对应，所述第四PMOS管和第八PMOS管的漏极与二极管的负极对应；所述第一NMOS管、第三PMOS管、第五NMOS管、第七PMOS管可替换为压控开关，所述第一NMOS管、第三PMOS管、第五NMOS管、第七PMOS管的栅极与压控开关的电压控制端对应，所述第一NMOS管、第三PMOS管、第五NMOS管、第七PMOS管漏极和源极之间的导电沟道和压控开关的电流通路对应。3.如权利要求1所述的低通滤波电路，其特征在于，所述阻变元件M为具有阈值电压特性的忆阻器，信号输入端Vin输入信号；当脉冲输入端PWL为零时，所述忆阻器工作在模拟工作模式，其两端的电压差介于正向阈值电压Vtp和负向阈值电压Vtn之间，忆阻器的阻值不会发生改变；当脉冲输入端PWL输入脉冲时，忆阻器工作在编程工作模式，通过脉冲对其阻值进行编程操作。4.如权利要求1所述的低通滤波电路，其特征在于，所述低通滤波电路的特征角频率特征频率其中，R为忆阻器的阻值，C为第一电容C1的电容值。5.一种基于权利要求1-4任一项所述的低通滤波电路的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：S11：通过在所述信号输入端Vin施加信号电压，同时在所述脉冲输入端施加零电压，使得所述的忆阻器低通滤波电路正常工作，信号输出端Vo正常输出；S12：通过给脉冲输入端施加正向脉...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙华军，宋夷斌，陆家豪，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42