忆阻器的建模仿真与电路应用研究

摘要

忆阻器是继电阻、电感、电容以外的第四种基本元器件,忆阻器是具有记忆功能的纳米级非线性两端电路元件,忆阻器具有结构简单、同CMOS电路兼容性良好、可集成性高、功耗低等优势。在高密度非易失性存储器、人工智能、图像处理、逻辑运算、RFID、云计算、模拟神经元突触、控制系统、信号处理等方面有巨大的应用潜能。然而如何构建第四种基本元器件的电学模型,并且基于电学模型,设计基于忆阻器的应用电路,是忆阻器改变传统电路,并引发“电路革命”的重要研究内容之一。
　　研究在测试制备的忆阻器原型器件基础上,分析了忆阻器的典型电学特性,建立了忆阻器的电学模型,分别采用Matlab、Simulink、Spice软件分别对忆阻器进行建模,介绍了各种建模方法,并且在可扩展性、客观性等方面对各种方法进行比较。基于忆阻器的电学模型,设计了基于忆阻器的振荡器电路和滤波器电路。分别利用了忆阻器的负阻特性和阻变特性,推导出振荡器电路的动力学方程,计算出滤波器的Q值。利用FPGA对仿真电路进行了验证,首先通过Matlab/System Generator软件对振荡器性能进行仿真测试,构建振荡器离散系统模块图。调用仿真生成的ISE工程文件,综合并将产生的程序文件下载到Xilinx FPGA开发板中,通过LeCroy示波器观察波形,得到的波形仿真结果一致。
　　与传统的振荡电路、滤波器相比,基于忆阻器的振荡器、滤波器性能较好,可由较少的电路元件构成,并且更容易在集成电路中实现,具有很大的发展潜力。

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1 绪论

1. 1 研究背景与意义

1. 2 国内外研究概况

1. 3 论文的主要研究内容

2 忆阻器的特性分析

2. 1 忆阻器的理论特性

2. 2 忆阻器电学特性

2. 3 忆阻器的结构

3 忆阻器的器件建模

3. 1 原理图输入法

3. 2 C语言描述法

3.3 Spice语言输入法

3. 4 查表输入法

3. 5 本章小结

4 忆阻器模拟电路设计

4. 1 基于忆阻器的范德波尔振荡器

4. 2 基于忆阻器的频率可变的多谐振荡器

4. 3 基于忆阻器的C hua振荡器

4. 4 基于忆阻器的带通滤波器

4. 5 本章小结

5 基于忆阻器振荡器的FPGA验证

5. 1 实验条件

5. 2 基于忆阻器的范德波尔振荡器验证

5. 3 基于忆阻器的C hua振荡器验证

5. 4 本章小结

6 总结与展望

6. 1 总结

6. 2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利