利用自整流忆阻器的模拟非线性特性进行混沌电路设计

《IEEE Open Journal of Circuits and Systems》：Chaotic Circuit Design Leveraging the Analog Nonlinear Dynamics of a Self-Rectifying Memristor

　　

摘要：

因其内在的非线性、依赖记忆的行为以及在纳米尺度上通过可调电阻状态编码信息的能力，忆阻器（memristor）引起了极大的关注。除了在非易失性存储器和神经形态架构中的应用外，忆阻器还被越来越多地用于混沌和非线性电路设计中，其模拟滞后响应可以实现紧凑且节能的混沌系统。迄今为止，基于忆阻器的混沌电路设计主要集中在二进制（突变切换）器件上，而模拟（渐进切换）忆阻器尽管具有低工作电流和高重复性等优点，但其生成和维持混沌行为的能力尚未得到充分探索。在这项工作中，我们使用自整流的BiFeO3（BFO）忆阻器作为示例，研究如何利用模拟非线性特性来实现混沌RC振荡器的设计。基于对其频率依赖性响应的实验表征，我们开发了一个物理上合理的模型来准确描述该器件的模拟和自整流特性，并且该模型与测量数据非常吻合。利用这个模型，我们改进了文献中的一个低频三阶RC混沌电路，将其中的二极管替换为BFO忆阻器及其寄生电容，使BFO器件成为负责生成混沌信号的单一非线性元件。更重要的是，必须精细调整电路参数，以使BFO忆阻器的模拟非线性特性与RC网络相匹配，确保混沌运行的稳定性，最终实现一个五阶忆阻器振荡器。所提出的电路表现出严格的混沌性（通过李雅普诺夫指数分析得到验证），具有双卷曲吸引子，并通过分岔图分析证实了其在广泛参数范围内的混沌行为。这项工作代表了...

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