忆阻器Simulink建模和图形用户界面设计

书书书 第 卷第期 西 南 大 学 学 报 （ 自然科学版） 年月 （ ） 文章编号： （ ） 忆阻器 建模和图形用户界面设计 胡柏林， 王丽丹， 黄艺文， 胡小方， 张宇阳， 段书凯 西南大学 物理科学与技术学院 电子信息工程学院，重庆 摘要：研究了惠普忆阻器的电荷控制和磁通量控制模型，构建了忆阻器的 模型，给出了相应的仿真结果 设计了一种基于 的图形用户界面，能直观地展示忆阻器特性通过该界面，可以选择或设定输入电压的 类型、参数及忆阻器模型的参数，简单方便地观察对应的输出结果，为人们更直观地学习和研究忆阻器提供一种有 效的方法 关 键 词：忆阻器；电荷，磁通量； 模型；图形用户界面 中图分类号： 文献标志码： 年，蔡少棠教授根据电路理论的完备性，预言应该存在电阻、电容和电感之外的第个基本 电路元件，并将其命名为忆阻器 年月，首个纳米级的忆阻器物理模型在美国惠普实验室 里诞生，证实了忆阻器的存在 实验表明，忆阻器是一种无源的非线性的二端电路元件，具有天然 的记忆能力，通过控制电流（ 或电压） 可改变其阻值这种记忆功能，为制造更快更节能的即开型计算 机、类似人类大脑信息处理方式的模拟计算机铺平了道路 ，也将大大简化混沌电路的结构纳 米级的忆阻器将在大规模集成电路中显示独特的优势，同时因其具有记忆连续数据的能力，可望实现 新型的非易失性模拟存储器 忆阻器独特的性能及可观的应用前景引起了广泛而强烈的关注 目前已经出现了多种物理忆阻 器 ， ，但对大多数研究者来讲，这些物理模型难以得到，现阶段主要仍是基于其理论模型进行分析和 研究本文首先回顾和分析了忆阻器的理论基础，研究了理想（ 线性杂质迁移） 的电荷控制忆阻器和磁通量 控制忆阻器模型，探讨了电荷与磁通量之间的关系，构建了忆阻器的 模型为了更直观、方便地 展现和研究忆阻器的输入输出等特性，设计了一种基于 的忆阻器图形用户界面（ ）通过该 界面可以直观准确地观察到忆阻器的电流电压磁滞回线、忆阻值的变化情况以及各种参数对其行为特性 的影响 收稿日期： 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ ， ） ；西南大学第四届本科生创新基金资助项目（ ） ；重庆市自然科学 基金资助项目（ ） ；中央高校基本科研业务费专项资助项目（ ） ；中国博士后科学基金资助项 目（ ） ；西南大学博士科研资助项目（ ） ；重庆市高等教育教学改革研究重点资助项目（ ） ；西南大学教育教学改革研究资助项目（ ， ） 作者简介：胡柏林（ ） ，男，安徽桐城人，本科学生，主要从事数字信号处理的研究 通信作者：王丽丹，副教授，博士，硕士生导师 忆阻器的电荷控制模型和磁通量控制模型 惠普忆阻器的物理模型见图 ，它是由将两层纳米级的二氧化钛薄膜夹在两个铂片内，其中一层掺 杂有氧空位，表现得像一个半导体，另一层没有掺杂，可以看成是一个绝缘体 图 惠普实验室研制的忆阻器 忆阻器的电阻（）是掺杂区和未掺杂区电阻之和 （） （ ） （） （ ）（） （ ） 其中 和 分别是（）和（）时忆阻器电阻的极限值 ，通常这两者的比值为 如图（ ） 所示，（） 是掺杂层的厚度，是两层二氧化钛薄膜的总厚度，（） 是（） 与的 比值在理想（ 线性杂质迁移）的模型中， （ ） （） （ ） 对方程（ ）两边积分，根据电荷（） （）的定义，可以得到 （） （）（） （ ） 将（ ）式代入（）式，得到电荷控制的忆阻器的电阻值公式， （）（）（） （ ） 其中：（ ）是初始时刻时（）的宽度；是掺杂物的迁移率， ；常数 （ ） ；（） 是忆阻器的初始电阻，（） （ ） （） 由于忆阻器的 电压 电流关系可以描述为一个伯努利微分方程 ，根据磁通量（ ） （ ）的定义，可以得到忆阻器 电阻的另一个表达形式，即磁通控制的忆阻器其电阻为 （） （） （ ）（ 槡 ） （） （） 槡 （ ） 忆阻器的 模型构建 忆阻器的 模型 基于理论基础，构建了忆阻器的 模型（ 图） ，模型由输入信号（） ） ，忆阻器基本参数模 块（ ， ，） ，窗函数模块（ （） ）和显示模块（ ）等部分构成当忆阻器为理想情况时，窗函数 （） 仿真结果 基于构建的忆阻器的 模型，我们观察到了正弦输入下忆阻器典型的电流电压滞后环，验证 了忆阻器的磁滞效应，仿真结果见图 第期 胡柏林，等：忆阻器 建模和图形用户界面设计 图 忆阻器的 模型 图 忆阻器 仿真结果 忆阻器的图形用户界面（ ） 设计 忆阻器的图形用户界面（ ） 为了直观、方便地显示忆阻器的特性，设计了基于 的忆阻器的图形用户界面（ 图）界面主 要包括：图形显示窗口、输入波形、参数调整和输出曲线选择等左上方窗口内显示的是输入信号，右上方 窗口内显示的是输出曲线；“ 波形选择” 用于选择输入电压信号的类型，分别有正弦信号、方波信号、正弦 平方信号、先正后负正弦平方信号及先正后负方波信号下面部分是输入信号、参数选择和自定义参数设 置，主要包括：未掺杂时忆阻器电阻 、完全掺杂时忆阻器电阻 、掺杂层厚度与总的二氧化钛层厚度 比值初始值，信号频率 、幅度 和方波信号占空比 等 该界面具有两大特点：输入电压信号可自由切换，包括正弦信号、方波信号、正弦平方信号、先正 后负正弦平方信号及先正后负方波信号选定输入信号之后，即可观察到对应的忆阻器的电流、状态变量 与时间、电流与电压及电荷 与磁通量 之间的关系曲线；输入电压信号和忆阻器的各 种参数可以灵活调节通过观察输出结果的变化，可以对忆阻器特性进行分析和探讨同时，该界面提供 了两组典型的输入信号和忆阻器模型的参数，在这两组参数下可以观察到忆阻器的特性曲线 忆阻器图形界面的仿真结果与分析 利用设计的图形界面，对惠普忆阻器模型进行仿真，观察忆阻器典型的电压电流磁滞现象、输入信号 的幅度与频率对忆阻器特性的影响，可以对两种工作状态下忆阻器的特性进行实验仿真与分析 西南大学学报（ 自然科学版） ： 第 卷 图 基于 的忆阻器的图形用户界面 当输入信号（）（ ） 时（ 图） ，设定输入电压的幅度 和频率 ，使忆阻器 的内部状态变量在（，） 范围内变化当输入电压为正时，从逐渐增加，随着的增加而减小， 使得电流的幅度不断增大，电流变化滞后于电压的变化，出现磁滞现象当连续输入个正的电压后， 逐渐减小到 ，在忆阻值接近最小值时，电流达到最大值 当输入电压为负时，逐渐从大 变小，随着的增加，电流的幅度依次减小当连续输入个负的电压后，值又不断减小，此时回 到初始值 改变输入电压为先正后负的方波，设定幅度，频率 ，占空比为 使忆阻器 的内部状态变量能够达到最大值，忆阻器其他内部参数不变从图可以看出，当连续输入正电 压时，从 成阶梯状增加，随之而减小，使得电流的幅度不断增大当增加到最大值 后，减小到最小值 ，此时忆阻器相当于普通电阻，电流和电压成正比关系，即使继续输入正电 压，忆阻器的仍保持不变接下来，连续输入负电压，从逐渐减小到，随之增大到初始 值，使得电流的幅度逐渐减小 总之，通过以上结果可以看出，忆阻器的电流与电压之间具有滞后关系，会出现磁滞回线；忆阻器的 电阻值总是大于零，其电阻值会随着外加输入信号的变化而变化，外加输入信号消失后，其电阻值就被自 动保存下来；调节忆阻器自身的参数，如 ， ，或者调节输入信号的幅值 和频率，都可以使 得忆阻器达到最大最小值 （ ）忆阻器 的可操作性和可维护性 可操作性：该界面中忆组器模型的参数是可以自由选择的，图形界面上提供了两组典型的参数，忆 第期 胡柏林，等：忆阻器 建模和图形用户界面设计 阻器的输入电压类型和各项参数可以灵活设置，操作方便 可维护性：该界面是基于 的 实现的，用 编写程序，可读性强，维护较方 便，可编译连接为可执行文件，方便实用也可以根据忆阻器的发展，对该模型进行扩展和升级 图 正负正弦波输入下忆阻器 的仿真结果 结 论 本文回顾了惠普实验室的忆阻器，分析了理想忆阻器的电荷控制模型和磁通量控制模型，给出了其电 荷与磁通之间的关系，并讨论了它们的变化范围为了方便地了解这个新的电路元件的各项特性，构建了 忆阻器的 模型，验证了其典型的磁滞特性等性质随后，设计了基于 的忆阻器图形 用户界面，该界面可以方便地设定忆阻器模型的参数和输入信号的参数，反映各种电路变量之间的关系 该界面操作简便，演示结果直观，为观察忆组器的特性提供了一个简便的演示平台 西南大学学报（ 自然科学版） ： 第 卷 图 正负方波输入下忆阻器 的仿真结果 参考文献： ， ， （） ： ， ， ， （） ： ， ， ， ， ， ： ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 段书凯，刘光远混沌神经网络在分离叠加模式和信息恢复中的应用 西南师范大学学报：自然科学版， ， （） ： 段书凯，刘光远连续学习混沌神经网络的研究 计算机科学， ， （） ： ， 第期 胡柏林，等：忆阻器 建模和图形用户界面设计 ， ： ： ， ， ， ： ， ， ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ，： ， ： ， ， （ ） ： ， ， ，