两类纳米级非线性忆阻器模型及串并联研究

忆阻器是一种新型的非线性动态可变电阻器,其阻值的变化依赖于通过它的电荷量或磁通量.作为第四种基本电路元器件,忆阻器在非易失性存储器、非线性电路及系统、神经形态系统等领域中有巨大的应用潜能.忆阻器串并联组合电路具有比单个忆阻器更为丰富的器件特性,引起了研究者越来越多的关注.本文推导了带有窗函数的闭合形式的电荷及磁通量控制的忆阻器非线性模型,能够有效地模拟忆阻器边缘附近的非线性离子迁移现象,同时保证忆阻器的边界条件.进一步,分别从忆阻器的器件参数和激励阈值两个角度,对忆阻器串并联电路进行了全面的理论推导和数值分析.为了更加直观地观察忆阻器串并联特性,设计了一种基于Matlab的忆阻器串并联图形用户界面,能够清晰地展示两种分类方式下忆阻系统的器件特性,可为忆阻器组合电路的后续研究提供良好的理论参考和实验依据.     

基于模拟电路的新型忆感器等效模型

本文首先利用光敏电阻阻值的可控性, 建立了磁通控制型忆阻器的等效电路模型. 通过对忆感器和忆阻器间转换关系的分析, 采用模拟电子元器件设计了磁通控制型忆感器的实用等效电路模型, 给出了理论分析并结合Pspice软件进行了仿真验证. 忆感器等效电路模型的韦安关系展现出典型的非线性磁滞回线特性. 最后, 运用实验手段研究了正弦波和三角波两种典型电压信号激励下忆感器与RC串联后电路的动态特征, 证明了本文提出忆感器等效电路模型的有效性. 关键词： 忆阻器 忆感器 磁滞回线特性 Pspice     

一种二次型忆阻器四阶混沌电路

由HP实验室研制的无源忆阻器得到的荷控二次型忆阻器模型,与有源磁控分段线性和三次光滑忆阻器模型相比,更符合实际.利用此模型并基于蔡氏混沌电路演化而来的拓扑对偶结构设计了一种新型忆阻器四阶混沌电路.理论分析、仿真及电路实现表明,该电路具有依赖于忆阻器初始状态的复杂动力学行为,也会产生随时间和系统参数变化的状态转移等非线性动力学现象,在相轨图中出现"涡眼"和"环眼".     

基于串并联磁控忆阻器的耦合行为研究

忆阻器是纳米级器件, 其功耗低, 集成度高, 有着巨大的应用潜能. 单个器件具有丰富的电学性质, 其串并联电路更展现了丰富的动力学行为. 然而, 忆阻器在高密度集成的环境下, 其耦合效应不可忽视. 因此, 本文首先基于磁控忆阻器推导了耦合忆阻器的数学模型. 其次, 在考虑不同极性连接和耦合强度的前提下, 讨论两个磁控忆阻器串并联的耦合情况, 进行了详细的理论分析, 并通过数值仿真探索了耦合效应对忆阻系统的影响. 同时, 设计了基于Matlab的图形用户界面, 直观地展示了不同参数下的耦合特性曲线. 进一步, 本文展示了有无耦合情况下, 初始阻值对忆阻器正常工作范围的影响. 最后, 构建耦合忆阻器的Pspice仿真器, 从电路的角度再次验证了忆阻器间的耦合效应. 实验结果表明: 同极性耦合增强了阻值的改变, 相反极性的耦合减缓了阻值的改变. 这些动力学特性可以很好地应用于忆阻网络中, 也为全面考虑忆阻系统电路的设计提供了强大的理论基础.     

含有偏置电压源的非齐次分数阶忆阻混沌电路动力学分析与实验研究

物理忆阻器具有不对称的紧磁滞回线,为了更加简便地模拟物理忆阻器的不对称紧磁滞曲线,本文提出了一种含有偏置电压源的分数阶二极管桥忆阻器模型,其具有可连续调控磁滞回线的能力.首先,结合分数阶微积分理论,建立了含有偏置电压源的二极管桥忆阻器的分数阶模型,并对其电气特性进行分析.其次,将其与Jerk混沌电路相融合,建立了含有偏置电压源的非齐次分数阶忆阻混沌电路模型,研究了偏置电压对其系统动态行为的影响.再次,在PSpice中搭建了分数阶的等效电路模型,并对其进行电路仿真验证,实验结果与数值仿真基本一致.最后,在Lab VIEW中完成了电路实验,验证了理论分析的正确性与可行性.结果表明,含有偏置电压源的分数阶忆阻器,可以通过调控偏置电压源的电压,连续获得不对称紧磁滞回线.随着偏置电源电压的改变,非齐次分数阶忆阻混沌系统由于对称性的破环,表现出由倍周期分岔进入混沌的行为.     

忆阻器及其阻变机理研究进展

忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四种电路元件,在信息存储、逻辑运算和神经网络等研究领域具有重要的应用前景.本文综述了忆阻器以及忆阻器材料的研究进展,主要介绍了忆阻器的内涵与特征、阻变机理、材料类型以及应用前景,指出了目前忆阻器研究中需要关注的主要问题,并对以后的发展趋势进行了展望.     

忆阻逾渗导电模型中的初态影响

逾渗网格模型是当前忆阻器件机理分析研究领域的热点之一, 但现有模型缺乏对初态设定的讨论. 本文对逾渗网格模型进行了简化, 并基于此, 通过电压激励步进的方式, 研究了不同初态对单极性忆阻开关元件中逾渗导电通道形成的影响, 分析了形成通道的动态过程以及相应的物理意义, 验证了忆阻开关元件高低阻态的阻值实际表现为高斯分布而非理想双值稳态; 而不同初态条件下, 忆阻开关元件导电通道的形状存在着不同的"树形"结构, 进而影响着其阻值的分布. 研究成果有助于进一步揭示忆阻器尚未明确的导电机理, 为今后对具体不同类型的忆阻元件的初态分析提供指导性作用. 关键词： 忆阻器 开关元件 逾渗模型 初态分析     

最简荷控型忆阻器混沌电路的设计及实现

利用惠普荷控型忆阻器、电感、电容和负电导串联设计了一类单回路忆阻器混沌电路.采用常规的动力学分析目的 研究系统的基本动力学特性,如平衡点稳定性分析、李雅普诺夫指数谱和分岔图等.数值仿真表明该系统在一个平衡点的情况下产生一类特殊的单涡卷混沌吸引子,且随系统参数的改变产生丰富复杂的混沌行为.为验证电路的正确性,利用Pspice进行相应电路仿真,仿真结果与理论分析、数值计算基本一致.     

含磁控和荷控两种忆阻器的混沌电路设计与仿真

利用惠普实验室荷控和磁控两种忆阻器模型设计了一个五阶混沌电路. 数值仿真结果表明该电路在参数变化情况下能产生Hopf分岔和反倍周期分岔两种分岔行为,并能产生双涡卷、单涡卷、周期态等不同相轨道. 为了验证电路的混沌行为,利用基本元器件设计了惠普实验室荷控和磁控忆阻器模拟器,并将其应用到对所设计电路中进行Pspice仿真,电路仿真结果验证了理论分析的正确性. 关键词： 混沌电路 HP忆阻器 模拟器 Pspice仿真     

忆阻器、忆容器和忆感器的Simulink建模及其特性分析

忆阻器、忆容器和忆感器均是具有记忆特性的新型非线性电路元件,也被称为记忆元件.以三种电路元件的通用数学模型为依据,从数学分析的角度,对忆阻器、忆容器和忆感器的Simulink模型进行了建立.在Simulink模型中体现了记忆元件对历史状态和系统状态变量的依赖性,正确表现出其独特的记忆特性.通过一系列仿真分析,得到了忆阻器、忆容器和忆感器的元件特性,验证了模型的有效性.此外,通过对三者在不同参数、不同激励下的电路特性分析,得到了三种记忆元件等效模型随频率和幅值变化的规律,为以后忆阻器、忆容器和忆感器基于Simulink的仿真研究和应用研究奠定基础.     

Firing activities in a fractional-order Hindmarsh-Rose neuron with multistable memristor as autapse

Considering the fact that memristors have the characteristics similar to biological synapses, a fractional-order multistable memristor is proposed in this paper. It is verified that the fractional-order memristor has multiple local active regions and multiple stable hysteresis loops, and the influence of fractional-order on its nonvolatility is also revealed. Then by considering the fractional-order memristor as an autapse of Hindmarsh-Rose (HR) neuron model, a fractional-order memristive neuron model is developed. The effects of the initial value, external excitation current, coupling strength and fractional-order on the firing behavior are discussed by time series, phase diagram, Lyapunov exponent and inter spike interval (ISI) bifurcation diagram. Three coexisting firing patterns, including irregular asymptotically periodic (A-periodic) bursting, A-periodic bursting and chaotic bursting, dependent on the memristor initial values, are observed. It is also revealed that the fractional-order can not only induce the transition of firing patterns, but also change the firing frequency of the neuron. Finally, a neuron circuit with variable fractional-order is designed to verify the numerical simulations.     

A mathematical analysis: From memristor to fracmemristor

The memristor is also a basic electronic component, just like resistors, capacitors and inductors. It is a nonlinear device with memory characteristics. In 2008, with HP's announcement of the discovery of the TiO₂ memristor, the new memristor system, memory capacitor (memcapacitor) and memory inductor (meminductor) were derived. Fractional-order calculus has the characteristics of non-locality, weak singularity and long term memory which traditional integer-order calculus does not have, and can accurately portray or model real-world problems better than the classic integer-order calculus. In recent years, researchers have extended the modeling method of memristor by fractional calculus, and proposed the fractional-order memristor, but its concept is not unified. This paper reviews the existing memristive elements, including integer-order memristor systems and fractional-order memristor systems. We analyze their similarities and differences, give the derivation process, circuit schematic diagrams, and an outlook on the development direction of fractional-order memristive elements.     

基于Au/TiO_2/FTO结构忆阻器的开关特性与机理研究

采用简单的一步水热法在FTO导电玻璃上外延生长了锐钛矿TiO_2纳米线,制备了具有Au/TiO_2/FTO器件结构的锐钛矿TiO_2纳米线忆阻器,系统研究了器件的阻变开关特性和开关机理.结果表明,Au/TiO_2/FTO忆阻器具有非易失的双极性阻变开关特性.同时,在103s的时间内,器件在0.1 V的电阻开关比始终保持在20以上,表明器件具有良好的非易失性.此外,器件在低阻态时遵循欧姆导电特性,而在高阻态时则满足陷阱控制的空间电荷限制电流传导机制,同时提出了基于氧空位导电细丝形成与断开机制的阻变开关模型.研究结果表明Au/TiO_2/FTO忆阻器将是一种很有发展潜力的下一代非易失性存储器.     

具有感觉记忆的忆阻器模型

人类记忆的形成包括感觉记忆、短期记忆、长期记忆三个阶段,类似的记忆形成过程在不同材料忆阻器的实验研究中有过多次报道.这类忆阻器的记忆形成过程存在有、无感觉记忆的两种情况,已报道的这类忆阻器的数学模型仅能够描述无感觉记忆的忆阻器.本文在已有模型的基础上,根据有感觉记忆的忆阻器的研究文献中所报道的实验现象,设计了具有感觉记忆的忆阻器模型.对所设计模型的仿真分析验证了该模型对于存在感觉记忆的这类忆阻器特性的描述能力:对忆阻器施加连续脉冲激励,在初始若干脉冲作用时忆阻器无明显的记忆形成,此时忆阻器处于感觉记忆阶段,后续的脉冲作用下忆阻器将逐渐形成短期、长期记忆,并且所施加脉冲的幅值越大、宽度越大、间隔越小,则感觉记忆阶段所经历的脉冲数量越少.模型状态变量的物理意义可用连通两电极的导电通道在外加电压作用下的形成与消失来给出解释.     

忆阻混沌电路的分析与实现

具有记忆功能的忆阻器是除电阻器、电容器和电感器之外的第四种基本二端电路元件. 提出了由φ-q平面上的一条三次单调上升的非线性曲线来确定的光滑磁控忆阻器,它有着斜"8"字形的类紧磁滞回线的伏安特性曲线. 采用此忆阻器和负电导构成的有源忆阻器替换蔡氏混沌电路中的蔡氏二极管,导出了一个基于忆阻器的混沌振荡电路. 此外,利用常规的运算放大器和乘法器等元器件给出了有源忆阻器的等效电路实现形式. 理论分析、数值仿真和电路仿真结果一致,均表明忆阻混沌电路的动力学行为依赖于忆阻器的初始状态,在不同初始状态下存在混沌振荡、周期振荡或稳定的汇等不同的运行轨道. 关键词： 忆阻器 混沌电路 初始状态 等效电路     

荷控忆阻器等效电路分析模型及其电路特性研究

忆阻器是物理上新实现的具有记忆特性的基本二端电路元件. 根据φ-q关系式的泰勒级数形式构建了荷控忆阻器等效电路分析模型, 以三次非线性荷控忆阻器模型为例, 对不同参数条件下的荷控忆阻器进行了伏安关系、有无源性等电路特性的理论分析. 结果表明: 荷控忆阻器的伏安关系具有斜体“8”字形紧磁滞回线特性, 随其参数符号的不同, 荷控忆阻器呈现出无源性和有源性, 导致其电路特性发生相应的变化; 相比无源荷控忆阻器, 有源荷控忆阻器更适用于作为二次谐波信号产生电路使用. 制作了荷控忆阻器特性分析等效电路的实验电路, 实验测量结果很好地验证了理论分析结果. 关键词： 荷控忆阻器 等效电路 伏安关系 电路特性     

Attempt to generalize fractional-order electric elements to complex-order ones

The complex derivative D~(α±jβ), with α, β∈ R+ is a generalization of the concept of integer derivative, where α = 1,β = 0. Fractional-order electric elements and circuits are becoming more and more attractive. In this paper, the complexorder electric elements concept is proposed for the first time, and the complex-order elements are modeled and analyzed.Some interesting phenomena are found that the real part of the order affects the phase of output signal, and the imaginary part affects the amplitude for both the complex-order capacitor and complex-order memristor. More interesting is that the complex-order capacitor can do well at the time of fitting electrochemistry impedance spectra. The complex-order memristor is also analyzed. The area inside the hysteresis loops increases with the increasing of the imaginary part of the order and decreases with the increasing of the real part. Some complex case of complex-order memristors hysteresis loops are analyzed at last, whose loop has touching points beyond the origin of the coordinate system.     

纳米级尺寸参数对钛氧化物忆阻器的特性影响

随着忆阻器研究的不断深入, 忆阻器的研究已经进入微观阶段, 包括忆阻器内部结构的探究、内部粒子间的运动规律、各参数对忆阻器特性的影响等. 然而, 这些成果中没有关于尺寸参数对忆阻器特性影响的研究, 而尺寸参数是忆阻器成功制备的关键因素之一, 这大大限制了忆阻器的发展和实际应用. 本文从欧姆电阻定律入手, 从理论角度详细分析了尺寸参数对惠普忆阻器以及自旋忆阻器的性能影响. 在此基础上进行了一系列电路仿真实验, 得到不同尺寸参数下忆阻器的相关特性曲线. 文中各选取其中最具代表性的四组实验结果进行展示, 对这些结果进行了详细分析, 得到了惠普忆阻器工作的最佳尺寸范围在8-12 nm之间以及自旋忆阻器工作的最佳尺寸范围在500-600 nm 之间的结论. 实验结果不仅可为实际运用提供有力的支持, 同时也将为进一步研制钛氧化物忆阻器器件和相关理论工作提供重要的实验基础和理论依据.     

一种改进的WOx忆阻器模型及其突触特性分析

忆阻器被定义为第四种基本电子元器件, 其模型的研究呈现多样性. 目前, 忆阻器模型与忆阻器实际特性的切合程度引起了研究者的广泛关注. 通过改变离子扩散项, 提出了一种新的WO_x忆阻器模型, 更好地匹配了忆阻器的实际行为特性. 首先, 新的模型不仅能够描述忆阻器的一般特性, 而且能够俘获记忆丢失行为. 另外, 将新的忆阻器作为神经突触, 分析了脉冲速率依赖可塑性、短期可塑性、长期可塑性, 并发现了与生物系统中极为相似的“经验学习”现象. 最后, 考虑到温度与离子扩散系数的关系, 探讨了温度对突触权值弛豫过程的影响. 实验表明, 新忆阻器模型比原来的模型更切合实际, 且更适合作为突触而应用到神经形态系统之中.