忆阻,忆容,忆感及其应用-姚卫博士

2021-05-14

忆阻器,忆容器和忆感器是具有“记忆功能”的新型电子元件,称为记忆元件。尤其是忆阻器,自其物理实物制作出来以来,就受到了国内外专家学者的大量关注。

记忆元件中研究最广泛的是忆阻器。自蔡少棠教授提出忆阻器理论,并在2008年实现其物理实物以来,学术界掀起了研究忆阻器的大热潮。但因技术条件和环境受限,忆阻器的相关研究依然以理论居多。目前,制作忆阻器的材料主要是氧化物材料,如HP忆阻器模型利用的是TiO2材料制成。结合纳米技术,在两个铂电极之间构造一块纯二氧化钛材料和一块掺杂的二氧化钛材料,由于掺杂材料的导电性比正常的材料高,当电流流经这个结构时,掺杂层会向未掺杂部分偏移,阻值就会随之发生改变[1]。此外,忆阻器除了上述物理器件模型的研究,还有数学模型、SPICE 模型和电路模拟器等三个方面的研究。

相比于忆阻器,有关忆容器和忆感器的研究还较少。2009年,蔡少棠教授提出忆容器与忆感器的相关概念[2]。2010年,使用SPICE描述和构建了忆容器仿真模型,以及第二年忆感器的PSPICE仿真模型被相继提出。此外,文献[3]提出了三个记忆元件之间转换的通用变换器。

近十多年来,大量有关记忆元件的理论模型和电路实现的成果涌现出来,并且记忆元件在应用方面,尤其是在混沌应用中获得了很大成功。下面对基于忆阻器,忆容器和忆感器的混沌电路研究状况进行简要介绍。

1.基于忆阻器的混沌电路研究现状

基于忆阻器的混沌电路和常规混沌电路相比,其混沌特性更复杂。忆阻混沌系统除了对电路参数有敏感性,还对忆阻器的初值有依赖性。2009年,用分段线性忆阻替代蔡氏电路中的蔡氏二极管,忆阻混沌电路被第一次设计出,且该电路的动力学行为进行了分析。此外,利用电感器、电容器和忆阻器三个元件串联可构成最简单的忆阻混沌电路。有些忆阻混沌控制电路可以利用一个双T陷波滤波器改变其混沌行为。利用考虑边界效应的忆阻模型也可以构建一个三阶混沌电路。2014年,王光义团队在实现光敏电阻忆阻模拟器的基础上,提出了一种混沌系统[4]。2015 年,基于Chua电路和忆阻器,一种新的4阶混沌电路被提出。并通过一系列动力学分析验证了混沌行为。

2.基于忆容及忆感元件的混沌电路研究现状 

一些科研成果表明,不仅可以使用忆阻器造成混沌振荡,使用忆容器和忆阻器同样可以来构造混沌振荡器。近几年来,一些新的忆容器和忆感器的数学模型或电路模型不断被提出,并基于所提出的模型设计了混沌振荡器。2014年,文献[5]提出了一个光滑二次荷控忆容器模型,通过将蔡氏电路中的非线性元件和电容替换为提出的忆容器,构建了基于忆容器的混沌电路并进行分析研究。2016年,一种平滑忆容曲线模型及其等效电路及基于该忆容器的一种新型的忆容混沌电路被设计出来。2017年,一种简单的仅由一个忆感器并联一个电阻和电容组成的忆感混沌电路被提出。同年,利用忆容器和忆阻器分别替代规范式蔡氏电路中的电容和非线性元件,从而设计了一个基于忆阻器和忆容器的混沌电路[6]。之后,又分别利用忆容器和忆感器替换蔡氏对偶电路中的电容和电感提出了一种基于忆容器和忆感器的混沌电路[7]。

目前,已有文献所涉及内容的大都是将单个记忆元件置入不同的振荡电路中产生混沌,也有少量将两个相同或不同的记忆元件放入一个电路里面产生混沌振荡。在一个电路的同一个位置,通过置入不同的记忆元件,获得其不同的混沌现象。当所置入的记忆元件有通用的拓扑结构时,那么整个混沌电路相当于一个通用记忆元件混沌电路。