忆阻系统动态电路特性研究

The first nanoscale memristor was fabricated by HP labs in 2008, and the present investigation demonstrated that memristor has great prospect in nonvolatile storage, nanometer very large scale integration, neural network, etc. In 2009, two other devices whose properties depend on the state and history of the system have been defined as the memcapacitor and meminductor, which complement the class of memristive system after the memristor. However, as a new circuit element class, the connection rules of memristive elements and characteristics of basic memristive dynamic circuits have not yet been known. In this project, the optimized memristive circuit models will be studied, and based on the improved emulators, the essential rules of each combination of memristive system elements under series, parallel and multiple-series connection will be expolored. Furthermore, the time domain response, frequency response and terminal voltage-current characteristics in basic dynamic circuits composed by memristor, memcapacitor and meminductor will be studied too, aiming to provide the necessary theoretical basis for memristive system elements based circuit analysis and application circuit design.

2008年HP实验室实现了首个纳米级忆阻器，目前的研究已证明其在非易失性存储器、纳米级超大规模集成电路和人工神经网络等领域有着巨大的应用前景。2009年提出了忆容器及忆感器的概念，将有记忆特性的元件从忆阻器延伸至了忆阻系统，但作为一类新的电路元件，目前它们的联接规律及在动态电路中的特性还未被了解。本项目在研究忆阻系统三种记忆元件优化电路模型的基础上，探索忆阻器、忆容器和忆感器各自的串联、并联及混联电路的基本规律，研究由三种忆阻系统元件构成的基本动态电路的时域响应特性、频率特性及端口伏安特性，目的是为忆阻系统元件复杂电路的分析和应用电路的设计提供必要的理论基础。

忆阻器(Memristor)是一种有记忆功能的非线性电阻，于1971年被首次提出，并于2008年由HP实验室对其首次进行了物理实现。2009年忆容器(Memcapacitor)及忆感器(Meminductor)的概念被正式提出，从而将有记忆特性的元件从忆阻器延伸至了忆阻系统，使得有记忆特性的元件和基本电路元件一样，形成了一个完备的体系。但目前由于HP忆阻器尚未商业化以及忆容器和忆感器还未被物理实现，已有的研究主要专注于对三种元件中忆阻器的等效电路模型构建以实现其相应的电路特性，而对于忆容器和忆感器，特别是三种电路元件的联接规律，以及它们在动态电路中的特性还尚未被了解。基于此背景，本项目通过研究忆阻器-忆容器以及忆阻器-忆感器内部变量间的内在关系，建立了基于忆阻器的忆容器和忆感器等效电路模型，并对三种记忆元件的Simulink模型进行建立，不仅体现了记忆元件对历史状态和系统状态变量的依赖性，还正确表现出其独特的记忆特性。基于所建立的模型，探索了忆阻元件联接的一般规律，并对忆阻器、忆容器和忆感器与线性电阻、电容和电感构成的忆阻系统动态电路进行了特性分析，发现用其构成的一阶动态电路与线性元件动态电路之间的特性差异。研究了串联忆阻器混沌系统、磁控忆感器混沌振荡器以及基于两种记忆元件的混沌振荡电路，得出此类混沌振荡器具有更好的随机特性，相关成果为记忆元件的电路设计和应用建立了理论基础。标志性成果有：发表SCI收录论文9篇，授权发明专利3项。培养博士研究生1人，硕士研究生5人，项目组成员获得了1项浙江省自然科学基金面上项目和1项国家自然科学基金面上项目的资助。