基于改进的忆阻器在字符联想记忆中的应用

忆阻因具有阻值可调、记忆特性以及纳米尺寸等特点,非常适合作为实现神经网络突触的电子元器件。为构建出更加符合真实物理忆阻器特性的忆阻器模型,该文在现有忆阻器模型的基础之上,克服了边界锁定、正负电压调整速率问题以及电路结构通用性问题,提出一种改进忆阻器模型。然后结合Pavlov联想记忆实验和Hopfield神经网络理论设计出了该文的字符联想记忆电路。电路结构主要有输入信号模块、突触阵列模块、激活函数模块以及反馈控制模块。该电路可以解决因传统阵列模块使用电阻作为突触模块的灵活性问题,而且还可以实现对3阶字符模糊图像的自联想功能。此外,该电路与深度学习相关的卷积计算模块原理类似,为实现基于忆阻的智能硬件奠定了理论基础。     

基于多态忆阻的新型前馈神经网络仿真电路

基于多阻态忆阻器,提出了一种神经网络电路仿真实现方法,该方法采用理想忆阻器和高性能MOS管模型构建 lTlM(1 Transistor 1Memristor)的权重结构单元,结合低功耗运放和寄存器技术,设计了一种神经网络运算电路,该神经网络 电路的层与层之间可以传递正负浮点数信号,实现对应的权值加和、偏置信号设置、分类以及信号激活功能。仿真实验同上位机对比的结果表明,该模型通过高速信号处理能力提升前向人工神经网络的运行性能。此外,在实现相同神经网络结构的 情况下,不仅一定程度上避免了忆阻阵列中存在的漏电流现象,还有效节省了硬件资源。     

忆阻器的建模及高精度忆阻值读写电路的设计

使用现有电路元件设计了一种荷控忆阻器的理论模型。由于把忆阻器应用于存储器、神经网络、信号处理等领域均涉及到忆阻器的读写操作,并且目前忆阻器大多是数字量0和1的操作,没有模拟量的操作。所以利用了荷控忆阻器的电荷特性,给出一种描述如何读取忆阻器的模拟忆阻值的方法。利用了荷控忆阻器的频率特性,设计了一个反馈式忆阻值写电路,该电路能够在忆阻器的阻态范围内进行任意模拟量的写操作。仿真结果验证了设计的正确性。     

简洁无电感忆阻混沌电路及其特性

采用非理想有源电压控制忆阻器和磁通控制型光滑3次非线性忆阻器,该文设计了一种不含电感的简单(只含5个电子元器件)双忆阻混沌电路。采用常规的非线性分析手段详细研究了电路参数变化时系统的基本动力学行为,例如平衡点稳定性分析,相轨图以及李雅普诺夫指数谱和分岔图等。通过调节系统控制参数,该系统可产生多涡卷、多翼以及暂态混沌等十分丰富的动力学现象。此外,还研究了系统依赖于忆阻器初始状态的多稳态,得到了一些有意义的结果。为验证电路的可行性及稳定性,通过对忆阻器的模拟等效电路的搭建,并将该等效电路应用于所提出的混沌电路中,硬件电路实验结果以及Multisim电路仿真结果与理论分析一致。     

基于忆阻器的异或逻辑单元的两步操作实现

针对基于忆阻器构建的高效逻辑单元,利用忆阻器的特性,为异或逻辑提出了一种两步操作的实现方法。第一步,将异或逻辑操作使用的忆阻器数目减少为4个;第二步,改进电路结构,将操作步骤降低为两步。结果表明,采用该高效实现方法后,异或逻辑单元的逻辑计算延迟和逻辑资源占用量均得到改善。逻辑资源占用数目减少了33.3%,操作步骤数目降低了70.4%,极大地提高了忆阻器的计算效率。     

基于荷控忆阻器的四阶混沌电路

近年来,基于亿阻器的混沌电路受到国内外学者的广泛关注.然而现阶段的研究,大都采用通过磁控忆阻器和负电导并联构成的有源忆阻器替代蔡氏电路中蔡氏二极管的方法.而采用荷控忆阻器的混沌电路大都同时使用荷控忆阻器与磁控忆阻器构成的五阶双忆阻器混沌电路.该文在蔡氏电路的基础上,采用荷控忆阻器与电感串联的形式构造了一个新的四阶忆阻混沌电路,并提出改进的忆阻器非线性特性曲线,通过数值仿真的方法进行了验证.最后,对这个新的四阶忆阻混沌电路进行动力学特性分析,主要通过李雅普诺夫指数和吸引子在相平面的投影.     

有源忆阻器伏安关系与有源忆阻电路频率特性研究

忆阻器是具有记忆特性的非线性电阻器,是物理上新实现的第四种基本二端电路元件.以分段二次型非线性函数描述的有源磁控忆阻器为例,分析了有源忆阻器的伏安关系,研究了有源忆阻器与电容串联电路(简称有源WC电路)的频率响应特性,并与有源RC电路进行了比较分析.结果表明:有源忆阻器的伏安特性曲线为紧磁滞回线,且依赖于其内部初始状态;有源WC电路与有源RC电路均呈现高通特性,但前者为超前网络而后者为滞后网络.基于有源磁控忆阻器的等效电路进行了电路仿真,其结果很好地验证了理论分析结果.     

基于FPGA的二值忆阻器仿真器研究及应用

基于FPGA的可重构性,提出了一种基于数字电路的二值忆阻器仿真器。与模拟电路忆阻器仿真器相比,所提出基于数字电路的忆阻器仿真器易于重新配置,与它所基于的数学模型表现出很好的匹配性,符合忆阻器仿真器所有要求的特点。实现了基于该仿真器的与门、或门、加法器及三人表决器。使用Altera Quartus II和ModelSim工具对仿真器功能和基于该仿真器实现的逻辑电路进行验证。给出所有设计电路的原理图、仿真结果和FPGA资源消耗。仿真结果表明,该二值忆阻器仿真器相比其他数字电路忆阻器仿真器具有更少的硬件资源消耗,更适合用于大规模忆阻器阵列研究。     

一个磁控忆阻器混沌电路及其FPGA实现

忆阻器是一种新的电路元件.为研究忆阻器混沌的基本特性和实现方法,对一种三次光滑特性忆阻器混沌电路的基本动力学特性进行了深入分析,包括平衡点集及其稳定性,暂态混沌及其状态转移,提出了一种克服暂态混沌从而产生稳定混沌的方法,并基于FPGA研究了忆阻器混沌的数字化实现问题,获得了预期的实验结果.     

基于忆阻器的混沌、存储器及神经网络电路研究进展

忆阻器是除电阻、电容、电感之外发现的第4种基本电子元件,它是一种具有记忆特性的非线性器件,可用于混沌、存储器、神经网络等电路与系统的实现。该文对基于忆阻器的混沌电路、存储器、神经网络电路的设计与神经动力学的国内外研究进行了综述,并给出了对它们的研究展望。     

基于双曲函数的通用型荷控忆阻器电路等效模型分析

目前,忆阻器模拟器的研究主要集中在磁控忆阻器,对荷控忆阻器模拟器的研究不多,双曲函数型的荷控忆阻器模拟器也很少涉及。因此,该文提出一种基于双曲函数的通用型荷控忆阻器模拟器。模拟器通过电压-电流的相互转换电路,实现电路中电压和电流信号之间的相互转换,再通过电路中对应的电路模块对产生的信号进行计算,最终得到通用型双曲荷控忆阻器模型。模拟器能够实现双曲正弦、双曲余弦以及双曲正切函数对应的荷控忆阻器模型。通用型双曲函数荷控忆阻器模拟器对应的等效电路,主要由运算放大器、电阻、电容、三极管等基本元件组成。分析模拟器在不同幅值以及不同频率的输入信号下的伏安特性曲线,得出荷控忆阻器模拟器符合记忆元件的基本特性。该文提出的通用型双曲函数荷控忆阻器模型,对忆阻器模型的发展具有一定的参考意义。     

忆阻器混沌电路的仿真

本文介绍了HP忆阻器的基本概念及数学模型,该模型可以较好地表示HP忆阻器的非线性掺杂漂移性质,将忆阻器用于蔡氏电路,可以得到基于忆阻器的混沌电路。笔者使用Matlab进行系统级仿真,并简要地进行了动力学分析。建立了忆阻器的Orcad模型,对其进行了仿真实验,其结果与HP实验室相同。我们用Orcad进行器件级仿真,为实际的混沌电路提供基础。该数值仿真和电路仿真结果一致,表明该混沌电路是可行的。     

基于忆阻元件的五阶混沌电路研究

采用一个有源磁控忆阻器替换四阶蔡氏振荡器中的蔡氏二极管,导出了一个基于忆阻元件的五阶混沌电路,建立了相应电路状态变量的微分方程组.理论分析表明该忆阻混沌电路具有一个平衡点集,其稳定性随忆阻器初始状态变化而变化.采用常规的动力学分析手段研究了忆阻器初始状态发生变化时电路的动力学特性.数值仿真结果验证了理论分析的正确性.     

忆阻器网络等效分析电路及其特性研究

随着忆阻器理论研究的不断深入和圆满实现,加上其独特的物理性质,其应用前景将非常乐观。该文提出了忆阻器有P型和N型两种,对其物理性质进行了分析研究,得出了它们具有对偶特征。基于此,忆阻器间可以通过适当的连接和参数选择,对外呈现出线性特性,而各自仍具备忆阻器的固有属性。同时,给出了忆阻器及其串并联的一种等效分析电路拓扑结构,仿真结果表明,该方法有效、结论正确,从而为忆阻器的理论和应用研究,特别是忆阻器网路的构建开辟了新途径。     

基于忆阻器的五阶MCK混沌电路研究

采用忆阻器替换分段线性电阻的方法,在Matsumoto,Chua和Kobayashi (MCK)提出的四阶混沌电路基础上,设计了一个含有忆阻器的五阶对称混沌电路,建立了五阶忆阻混沌电路的数学模型.采用常规动力学分析方法,分析了五阶忆阻混沌电路的平衡点集及其稳定性、Lyapunov指数.采用常规元器件,构建了五阶忆阻混沌电路的仿真模型,并进行了电路仿真实验.理论分析和仿真实验结果表明,设计的五阶忆阻混沌电路具有丰富的混沌行为,丰富了忆阻混沌电路的设计与应用.     

插层Al2O3对氧化铪基忆阻器的性能优化及多值特性研究

近年来,氧化铪基忆阻器因其优异的阻变性能及与CMOS工艺兼容等特点而被广泛研究。然而,氧化铪基忆阻器仍存在以下问题:1) 器件良率、可靠性、均一性不足；2) Set和Reset 过程中电流突变,导致多值特性较差。为实现氧化铪基忆阻器的性能优化及多值特性,文章在HfO₂表面生长一层1~5 nm Al₂O₃,构造Al₂O₃/HfO₂双介质层忆阻器,并对HfO₂和Al₂O₃的厚度进行优化,最终得到性能显著提升的Al₂O₃/HfO₂双介质层多值忆阻器。该器件呈现出保持性良好的10个不同电阻态(1×10⁴ s@85℃)。由于氧离子在Al₂O₃层的迁移率更低,限制了氧空位细丝生长速率及宽度,且Al₂O₃具有热增强作用,使氧空位分布更均匀,促使氧空位细丝生成/断裂过程由突变转为渐变。该工作为进一步实现氧化铪基忆阻器的性能优化及多值特性提供了参考。     

一种高线性度相位插值器

设计并实现了一种高线性度相位插值器。分析了相位插值器的工作原理和传统相位插值器结构,以此为基础,提出了一种具有高线性度的相位插值器电路。该电路采用TSMC 90 nm CMOS工艺进行设计,后仿真结果表明本设计的相位插值器具有良好的线性度,整个电路版图面积为(155×368) μm²,核心电路面积为(63×114) μm²。在1.2 V的电源电压下,相位差值器模块电路的功耗为3.12 mW。     

基于遗忘效应忆阻器的LIF神经元电路研究

细胞神经网络(CNN)被公认为是一种强大的大规模并行网络架构,能够高速执行运算操作和解决复杂的工程问题,但是目前关于硬件实现神经元的研究处于起步阶段.首先,研究了一个基于SrTiO3(STO)的忆阻仿真模型,并分析了该模型的阻值变化特性与磁滞回线.其次,在此基础上设计了基于忆阻器的LIF神经元电路,验证了忆阻器模型可很...     

基于忆阻器-CMOS晶体管的逻辑电路及其应用

针对传统组合逻辑电路存在的硬件资源利用率低和功耗高等问题,提出了一种基于忆阻器和CMOS晶体管的存算一体化组合逻辑电路设计方案。利用忆阻器存算一体、结构简单、与CMOS器件兼容等特性,减少了电路元器件数量。首先利用忆阻器的非易失性和阻变特性,设计忆阻与门、或门,结合CMOS晶体管实现与非门、或非门;然后,利用器件存算一体特性,提出了4R2T结构的异或门及同或门电路;最后,基于忆阻逻辑完备集设计了乘法器电路和图像加密电路,并采用LTspice验证电路功能正确性。结果表明,相比传统电路,所设计的乘法器电路元器件数量减少了50%,具有低功耗特性;所设计的图像加密电路具有良好的加密和解密效果,提升了运算效率。     

基于文氏振荡器的忆阻混沌电路

该文采用文氏桥振荡器和磁通控制的分段线性忆阻器,设计了一种新的单一参数控制的混沌电路。通过调节控制参数,该系统在忆阻器的非线性作用下,通过倍周期分岔产生了混沌和超混沌现象。利用常规的动力学分析手段研究了电路参数变化时系统的动力学特性,例如平衡点稳定性分析,李雅普诺夫指数谱和分岔图。为了验证电路的正确性,该文采用集成运放和压控开关实现了一个分段线性磁控忆阻器的模拟等效电路,并将该系统应用于提出的混沌电路,Pspice仿真结果与理论分析完全吻合。