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.     

忆阻电路降维建模与特性分析

通过对蔡氏忆阻电路的数学建模分析,提出了忆阻电路动力学建模的降维问题.以包含两个磁控忆阻器的忆阻电路为例,进行了忆阻电路降维建模,由此建立了一个三维系统模型.基于该模型,分析了忆阻电路的平衡点和稳定性,研究了电路参数变化时忆阻电路的动力学特性.进一步,对包含两个磁控忆阻器的忆阻电路常规模型的分析结果和其降维模型的分析结果进行了比较.结果表明:忆阻电路降维模型的维数只与电容器的数量和电感器的数量有关,而与忆阻器的数量无关;当电路参数变化时忆阻电路存在分岔模式共存等非线性现象;降维建模降低了系统建模复杂度,有利于系统的动力学特性分析,但消除了忆阻器内部状态变量的初始条件对忆阻电路动力学特性的影响.     

忆阻混沌振荡器的动力学分析

忆阻器(memristor)是一种有记忆功能的非线性电阻器,它是除电阻器、电容器和电感器之外的第四种基本电路元件.采用一个具有光滑磁控特性曲线的忆阻器和一个负电导替换蔡氏振荡器中的蔡氏二极管,导出了一个基于忆阻器的振荡器电路.采用常规的动力学分析手段研究了电路参数和初始条件变化时该光滑忆阻振荡器的动力学特性.研究结果表明,光滑忆阻振荡器与一般的混沌系统完全不同,它的动力学行为除了与电路参数有关外,还极端依赖于电路的初始条件,存在瞬态混沌和状态转移等奇异的非线性物理现象.     

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     

一个分数阶忆阻器模型及其简单串联电路的特性

忆阻器是具有时间记忆特性的非线性电阻. 经典HP TiO₂忆阻器模型的忆阻值为此前通过忆阻器电流的时间积分, 即记忆没有损失. 而最近研究证实HP TiO₂ 线性忆阻器掺杂层厚度不能等于零或者器件整体厚度, 导致器件的记忆有损失. 基于此发现, 本文首先提出了一个阶数介于0 与1间的分数阶HP TiO₂ 线性忆阻器模型, 研究了当受到周期外激励时, 分数阶导数的阶数对其忆阻值动态范围和输出电压动态幅值的影响规律, 推导出了磁滞旁瓣面积的计算公式. 结果表明, 分数阶导数阶数对磁滞回线的形状及所围成区域面积有重要影响. 特别地, 在外激频率大于1时, 分数阶忆阻器的记忆强度达到最大. 然后讨论了此分数阶忆阻器与电容或电感串联组成的单口网络的伏安特性. 结果表明, 在周期激励驱动时, 随着分数阶导数阶数的变化, 此分数阶忆阻器与电容的串联电路呈现出纯电容电路与忆阻电路的转换, 而它与电感的串联电路则呈现出纯电感电路与忆阻电路的转换.     

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".     

基于有源广义忆阻的无感混沌电路研究

采用常见元器件等效实现一个广义忆阻器, 进而制作出一个电路特性可靠的非线性电路, 有助于忆阻混沌电路的非线性现象的实验展示及其所产生的混沌信号的实际工程应用. 基于忆阻二极管桥电路, 构建了一种无接地限制的、易物理实现的一阶有源广义忆阻模拟器; 由该模拟器并联电容后与RC桥式振荡器线性耦合, 实现了一种无电感元件的忆阻混沌电路; 建立了无感忆阻混沌电路的动力学模型, 开展了相应的耗散性、平衡点、稳定性和动力学行为等分析. 结果表明, 无感忆阻混沌电路在相空间中存在分布2个不稳定非零鞍焦的耗散区和包含1个不稳定原点鞍点的非耗散区; 当元件参数改变时, 无感忆阻混沌电路有着共存分岔模式和共存吸引子等非线性行为. 研制了实验电路, 该电路结构简单、易实际制作, 实验测量和数值仿真两者结果一致, 验证了理论分析的有效性.     

基于现场可编程逻辑门阵列的磁控忆阻电路对称动力学行为分析

将含绝对值项的磁控忆阻器引入改进型蔡氏电路,构建新型磁控忆阻混沌电路,通过分岔图与Lyapunov指数谱创新性地观察到系统的对称分岔行为,揭示系统双参数平面内运动状态分布的对称性.同时,基于忆阻电路参数-初值平面的系统运动分布图,分析对称吸引域内系统的多稳态特性,相图的绘制进一步证明电路多稳态现象的存在性.此外,应用现场可编程逻辑门阵列完成电路实验,在数字示波器上捕捉实验结果,证明所构磁控忆阻电路的物理可实现性.     

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     

基于单T网络的忆阻混沌电路

利用RC单T选频网络构成的正弦波振荡电路和三次光滑模型忆阻器,通过不同的耦合方式,设计了并联型和串联型忆阻混沌电路.通过分岔图、Lyapunov指数和相图分析了电路的基本动力学特性,观察到了当耦合电容值变化时电路呈现的倍周期分岔、周期窗口和快慢效应等复杂动力学行为.电路仿真得到的实验结果与数值计算结果基本一致.     

改进型细胞神经网络实现的忆阻器混沌电路

在通用细胞神经网络单元的基础上,本文利用忆阻器本身的非线性实现了一种改进型细胞神经网络单元.通过连接4个改进的细胞神经网络单元导出了一种基于状态控制细胞神经网络的忆阻器混沌电路.为了验证该方法的正确性,采用通用的电子器件构建了一个忆阻器的模拟等效电路,并对提出的电路进行了实验分析.实验结果与数值仿真结果的一致性表明采用改进型的细胞神经网络可以有效地实现忆阻器混沌电路.     

一种基于忆阻交叉阵列的自适应三高斯模型及其在图像增强中的应用

在视觉图像处理中,可用三高斯模型来模拟视网膜神经节细胞的感受野,这可以在一定程度上对图像信息,比如图像的边缘、细节等信息进行增强.但是在对大量的图像进行处理时,为了达到比较理想的效果,就需要人为地来改变模型中的相关参数,这是一个十分耗时的过程.基于此,本文提出一种基于忆阻交叉阵列的自适应三高斯模型.这种模型是在传统三高斯模型的基础上,根据所需处理图像的局部特征,利用忆阻交叉阵列的特性动态地改变模型参数,以达到对局部图像最优增强的目的,从而使整幅图像的增强效果更好.首先,根据图像的局部亮度信息来确定忆阻器所需施加的脉冲电压的极性以及宽度;然后,根据所得忆阻值得到对应模型中参数的值;最后,可以得到局部增强模板,从而实现增强.本文分别选取了彩色和灰度图像进行了测试,定性和定量实验结果均表明,这种改进的三高斯模型不仅能够对图像边缘进行有效的增强,而且还可以极大地提高图像的对比度和清晰度,为忆阻器在图像处理方面的应用提供了新方向.     

Discrete Memristor and Discrete Memristive Systems

In this paper, we investigate the mathematical models of discrete memristors based on Caputo fractional difference and G–L fractional difference. Specifically, the integer-order discrete memristor is a special model of those two cases. The “∞”-type hysteresis loop curves are observed when input is the bipolar periodic signal. Meanwhile, numerical analysis results show that the area of hysteresis decreases with the increase of frequency of input signal and the decrease of derivative order. Moreover, the memory effect, characteristics and physical realization of the discrete memristors are discussed, and a discrete memristor with short memory effects is designed. Furthermore, discrete memristive systems are designed by introducing the fractional-order discrete memristor and integer-order discrete memristor to the Sine map. Chaos is found in the systems, and complexity of the systems is controlled by the parameter of the memristor. Finally, FPGA digital circuit implementation is carried out for the integer-order and fractional-order discrete memristor and discrete memristive systems, which shows the potential application value of the discrete memristor in the engineering application field.     

SPICE modeling of memristors with multilevel resistance states

With CMOS technologies approaching the scaling ceiling, novel memory technologies have thrived in recent years, among which the memristor is a rather promising candidate for future resistive memory (RRAM). Memristor’s potential to store multiple bits of information as different resistance levels allows its application in multilevel cell (MCL) technology, which can significantly increase the memory capacity. However, most existing memristor models are built for binary or continuous memristance switching. In this paper, we propose the simulation program with integrated circuits emphasis (SPICE) modeling of charge-controlled and flux-controlled memristors with multilevel resistance states based on the memristance versus state map. In our model, the memristance switches abruptly between neighboring resistance states. The proposed model allows users to easily set the number of the resistance levels as parameters, and provides the predictability of resistance switching time if the input current/voltage waveform is given. The functionality of our models has been validated in HSPICE. The models can be used in multilevel RRAM modeling as well as in artificial neural network simulations.     

The design and simulation of a titanium oxide memristor-based programmable analog filter in a simulation program with integrated circuit emphasis

In many communication and signal routing applications, it is desirable to have a programmable analog filter. According to this practical demand, we consider the titanium oxide memristor, which is a kind of nano-scale electron device with low power dissipation and nonvolatile memory. Such characteristics could be suitable for designing the desired filter. However, both the non-analytical relation between the memristance and the charges that pass through it, and the changeable V-I characteristics in physical tests make it difficult to accurately set the memristance to the target value. In this paper, the conductive mechanism of the memristor is analyzed, a method of continuously programming the memristance is proposed and simulated in a simulation program with integrated circuit emphasis, and its feasibility and compatibility, both in simu- lations and physical realizations, are demonstrated. This method is then utilized in a first-order active filter as an example to show its applications in programmable filters. This work also provides a practical tool for utilizing memristors as resistance programmable devices.     

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.     

Chaotic memristor

We suggest and experimentally demonstrate a chaotic memory resistor (memristor). The core of our approach is to use a resistive system whose equations of motion for its internal state variables are similar to those describing a particle in a multi-well potential. Using a memristor emulator, the chaotic memristor is realized and its chaotic properties are measured. A Poincaré plot showing chaos is presented for a simple nonautonomous circuit involving only a voltage source directly connected in series to a memristor and a standard resistor. We also explore theoretically some details of this system, plotting the attractor and calculating Lyapunov exponents. The multi-well potential used resembles that of many nanoscale memristive devices, suggesting the possibility of chaotic dynamics in other existing memristive systems.     

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.     

忆阻突触耦合环形Hopfield神经网络动力学分析及其电路实现

提出一种新型忆阻器模型, 利用标准非线性理论分析三个忆阻特性, 并设计模拟电路。基于忆阻突触, 构建一个忆阻突触耦合环形Hopfield神经网络模型。采用分岔图、李雅普诺夫指数谱、时序图等方法, 揭示与忆阻突触密切相关的特殊动力学行为。数值仿真表明: 在忆阻突触权重的影响下, 它能够产生多种对称簇发放电模式和复杂的混沌行为。实现了该忆阻环形神经网络的模拟等效电路, 并由PSIM电路仿真验证MATLAB数值仿真的正确性。