大功率忆阻器的实现方法及应用
忆阻器在电子器件中的应用与性能研究
忆阻器在电子器件中的应用与性能研究忆阻器，也被称为“记忆电阻器”或“触发电阻器”，是一种电子元件，具有非线性电阻特性和记忆效应。
它在电子器件中的应用非常广泛，并且在近年来受到了广泛的关注和研究。
本文将探讨忆阻器在电子器件中的应用和性能研究。
首先，让我们来了解一下忆阻器的工作原理。
忆阻器的基本结构通常由两个材料组成，一个是在电场作用下可以忆化的可变电阻体，另一个是用于控制电场的电极。
当施加一个电压到忆阻器上时，电场的作用会改变可变电阻体的电阻值，这种改变是可逆的且与施加电压的历史有关。
因此，忆阻器可以记住之前经历过的电流或电压信号，并将它们作为之后的输出信号。
忆阻器的应用非常广泛，其中最重要的一项应用是在存储器技术中。
相比传统的存储器技术，如闪存和DRAM，忆阻器具有更高的密度、更低的功耗和更快的读写速度。
这使得忆阻器成为下一代存储器技术的热门候选。
此外，忆阻器还可以应用在神经元仿生电路和人工智能领域中，用于模拟神经元的突触传递机制，实现类似人类大脑的计算能力。
与传统的电阻器相比，忆阻器具有一些独特的性能特点。
首先，忆阻器具有非线性电阻特性，这使得它可以应用于各种非线性电路。
其次，忆阻器的电阻值可以通过控制电压来实现可调，这为电路的灵活调整提供了可能。
此外，忆阻器的忆化效应可以用于存储和处理信息，极大地提高了电路的集成度和效果。
尽管忆阻器在许多领域的应用前景广阔，但目前仍存在一些技术挑战需要克服。
首先，为了实现高性能的忆阻器，需要开发新的材料和工艺技术。
其次，忆阻器的稳定性和可靠性问题也需要解决，以确保长期的可靠运行。
此外，忆阻器与其他器件之间的接口问题也需要研究，以实现更好的集成和互连。
为了解决这些技术挑战，许多研究机构和公司已经投入了大量的研发资源。
他们致力于开发新的材料和制备工艺，提高忆阻器的性能和可靠性。
同时，他们还通过理论模拟和实验验证来深入了解忆阻器的工作机制和性能特点。
这些努力将为忆阻器的应用和性能研究提供重要的理论和实验基础。
忆阻器的应用
忆阻器的应用电子学最薪电路元件的前景评析现在市面上仍然不能买到忆阻器。
但是，考虑到忆阻器历经多年，直至今年才被认可——以前理论中的第四种基本电路，被ＨＰ实验室研究员最终证明了其在现实中存在之后，此技术可谓是一夜成名。
图１为一个由１７个忆阻器列成一排而组成的简单电路，其中每个忆阻器有一个底部导图Ｉ一个由１７个忆阻器列成一排而组成的简单电路线，其与器件的一端相连，还有一个顶部导线，其与器件的另一端相连。
早在３７年前，ＬｅｏｎＣｈｕａ——一名伯克利加利福尼亚大学电子工程和计算机科学学院的教员，最先对该元件建立理论并命名。
他认为忆阻器——就像电阻、电容、电感——具有其他三种元件的任意组合都不能复制的特性。
但是，借助于纳米技术中现代的突破性成果，研究团队——ＤｍｉｔｒｉＢ．Ｓｔｒｕｋｏｖ，ＧｒｅｇｏｒｙＳ．Ｓｎｉｄｅｒ和ＤｕｎｃａｎＲ．Ｓｔｅｗａｒｔ博士——在惠普公司的高级院士Ｒ．ＳｔａｎｌｅｙＷｉｌｌｉａｍｓ带领下，确实证明了它的存在。
“弱忆阻存在于大规模系统中”，Ｓｔｅｗａｒｔ说，。
然而，一般来说，它仅仅在一个纳米级系＿……咖钏月统中才变得重要，并因此而有用。
”这有两方面的原因。
随着器件的减小，电场的驱动力变得越来越大，而需要用于产生电阻变化的原子运动变得更小：两种趋势相互加强直到它们最终支配纳米行为。
在２００８年７月，研究者实际制备了５０ｎｍ×５０ｎｍ忆阻器开关，它由在两纳米线之间的一层二氧化钛组成。
通过精巧地操纵该层中氧原子的分布，科学家Ｊ．ＪｏｓｈｕａＹａｎｇ博士可以控制该器件的运行。
这样的发展被看作是将忆阻器技术大众化的重要一步。
但是，仍然有问题存在：将如何应用它呢？。
忆阻器具有巨大的潜力，能够使一些关键的电子技术在将来成为可能”Ｙａｎｇ说，“它是一个新的电路元件，并且已展示出了许多令人期待的，新颖的特性，这些特性是之前设计工程师们都未曾见过的。
”忆阻器部件研究人员称，将来有一天忆阻器部件将会作为一种无源器件出现在货架上。
忆阻器的发展与应用
未来研究方向和前景展望
新型材料与技术
探索新型材料和技术，提高忆 阻器的性能、稳定性和可靠性
，降低成本。
神经形态计算
利用忆阻器模拟神经元和突触的 功能，构建神经形态计算系统， 实现更高效、智能的计算。
物联网与边缘计算
将忆阻器应用于物联网和边缘计 算领域，实现数据的就近存储和 处理，提高响应速度和能效比。
化学气相沉积
通过化学反应在基底上生 成忆阻材料薄膜。
微纳加工技术
光刻技术
利用光刻胶和光刻机对忆 阻材料进行微细加工。
刻蚀技术
采用干法刻蚀或湿法刻蚀 技术，对忆阻材料进行高 精度刻蚀。
纳米压印技术
利用纳米压印模板在忆阻 材料上压印出纳米级图案。
性能测试与表征方法
电学性能测试
测试忆阻器的电阻、电容、电感等电 学性能。
应用
MRAM具有非易失性、高速、低功耗等优点， 被广泛应用于嵌入式系统、移动设备、航空航 天等领域。同时，MRAM还有望成为未来神经 形态计算和量子计算的重要硬件基础。
各类存储器性能比较
01
02
03
04
速度
RRAM和PCRAM的读写速度 较快，而MRAM的读写速度
相对较慢。
功耗
RRAM和PCRAM的功耗较低 ，而MRAM的功耗相对较高
神经形态计算挑战
神经形态计算在硬件实现、算法设计 、系统集成等方面面临诸多挑战，如 神经元和突触的复杂动态特性、硬件 资源的有限性等。
基于忆阻器的突触仿生器件
忆阻器作为突触仿生器件
忆阻器具有非易失性、连续可调电阻等特性，可模拟生物突触的权重调节和信息传递功 能。
突触仿生器件应用
基于忆阻器的突触仿生器件在图像识别、语音识别、自然语言处理等任务中展现出良好 性能。
忆阻器应用场景
忆阻器应用场景以忆阻器应用场景为题，我们将会探讨忆阻器在不同领域的广泛应用。
忆阻器，又称为Memristor，是一种在电子器件中具有记忆效应的元件。
它的发现和发展引起了科学界的广泛关注，并且在信息存储、人工智能、神经网络等领域展示出了巨大的应用潜力。
一、信息存储领域在信息存储领域，忆阻器被广泛应用于新一代存储器件的研发。
与传统的闪存相比，忆阻器具有更高的存储密度、更低的功耗和更快的读写速度。
这使得它成为了替代闪存的理想选择。
忆阻器还可以实现非易失性存储，即在断电后仍能保持数据的存储，这在数据中心和云计算等应用环境中具有重要意义。
二、人工智能领域在人工智能领域，忆阻器被用于构建具有类似于人脑神经元连接方式的人工神经网络。
忆阻器的特性使其能够模拟突触连接的可塑性，即突触强度的调整和记忆的形成。
这为神经网络的学习和存储提供了新的可能性。
通过利用忆阻器构建的神经网络，可以实现更高效的模式识别、图像处理和语音识别等任务。
三、神经网络领域在神经网络领域，忆阻器被用于构建脑机接口和神经植入设备。
脑机接口是一种将人脑信号转化为计算机可识别的形式的技术。
忆阻器作为突触模型的一部分，可以用来模拟神经元和突触之间的连接关系，从而更好地理解和研究大脑的工作机制。
神经植入设备则是将忆阻器等电子器件植入人体，与神经元直接交互，用于治疗和帮助恢复神经系统疾病。
四、能源管理领域在能源管理领域，忆阻器被应用于智能电网和能量存储系统。
智能电网是一种将电力系统与信息通信技术相结合的电力系统。
忆阻器可以用来实现对电力系统的智能监控和控制，提高电力系统的稳定性和可靠性。
能量存储系统则是用于储存和释放能量的设备，忆阻器作为存储元件可以实现高效的能量存储和释放，提高能源利用效率。
忆阻器在信息存储、人工智能、神经网络和能源管理等领域都有着广泛的应用。
随着对忆阻器的研究和应用的不断深入，我们相信它将为各个领域带来更多的创新和突破。
相信未来，忆阻器的应用将会变得更加广泛和重要。
忆阻器脑类计算
忆阻器脑类计算
忆阻器是一种神经元模型，它类似于人脑中的突触连接。
在脑类计算中，忆阻器被用来存储和处理信息。
忆阻器的基本原理是通过调节突触连接的强度来存储和更新信息。
当神经元之间的连接经常性地被激活时，突触的强度会增加，形成一个存储的记忆。
这种记忆与人脑中的长时记忆机制类似。
在脑类计算中，忆阻器的存储和处理能力被用来进行模式识别和学习。
通过对输入模式的连续触发，忆阻器可以自适应地更新自身的连接强度，并且可以根据之前存储的记忆进行模式匹配和分类。
这使得忆阻器成为一种非常强大的信息处理工具。
忆阻器的脑类计算模型可以应用于人工智能领域的模式识别、图像处理和自主学习等任务。
它可以模拟人脑中的信息处理机制，并且具有较好的适应性和鲁棒性。
忆阻器脑类计算提供了一种新的思路和方法，可以为人工智能技术的发展带来更多的可能性。
忆阻器的电路模型及其应用研究
忆阻器的电路模型及其应用研究
忆阻器的电路模型及其应用研究
学习忆阻器的电路模型和应用是很重要的，因为它们在很多电子系统中都有着广泛的应用。
忆阻器是一种特殊的电阻，它能够记住之前的电流电压，这样就可以使电路保持在特定的工作状态。
忆阻器的电路模型是一个可以记忆和控制电流的模型。
它使用一个小电流来控制一个大的电流，这样就可以实现电路的自动化控制，从而达到更好的效果。
忆阻器的最常见的类型是双门电路，其原理是通过一根线将输入电流与输出电流连接起来，当输入电流发生变化时，输出电流也会相应地发生变化。
当输入电流变化时，输出电流会被锁定在输入电流变化之前的水平上，从而达到自动控制的目的。
这也是忆阻器的电路模型。
忆阻器的应用非常广泛，它可以用于电源供电的稳定性，可以用于电路的自动调节，也可以用于精确的测量和检测等等。
例如，它可以用于液晶显示器的背光控制，调节电脑系统中各个设备的供电电压，控制电源的输出等等。
另外，忆阻器也可以用于声学设备、数字设备和功率设备的控制，能够有效地提高电路的功率效率，并且可以减少不必要的能量损耗。
此外，忆阻器还可以用于计算机系统中的自动化控制，比如自动化的静态隔离，它可以实现自动的电压控制，从而更好地控制计算机系统的稳定性和性能。
因此，忆阻器的电路模型和应用都是非常重要的，它能够被用于很多不同的电子系统中来提高系统的性能和稳定性，从而保证电子系统的可靠性和可用性。
!!忆阻器的发展与应用
忆阻器元件的实现
忆阻器的存在 借助于现代纳 米技术中突破性 的成果，惠普实 验室于2008年证 明了忆阻器的存 在。
忆阻器元件的实现
——忆阻器的存在
HP 的 Crossbar Latch研究
Crossbar Latch技术的原理是由一排横向和一排纵向的 电线组成的网格，在每一个交叉点上，要放一个「开关」连 结一条横向和纵向的电线。如果能让这两条电线控制这个开 关的状态的话，那网格上的每一个交叉点都能储存一个位的 数据。这种系统下数据密度和存取速度都是前所未闻的，但 是什么样的材料能当这个开关？HP 的工程师当时并不知道 要寻找的这种材料正是忆阻发展
忆阻器的定义 Chua从电路变量关系完整性角度，定义了 增量忆阻M（Q）来描述φ、Q 间的这一 关系： M（Q）=dφ（Q）/dQ （1）
满足公式（1）所定义关系的电路元件被称为忆阻器。
同时，由dφ=Vdt，dQ=Idt 可得： M（Q）=V/I （2）
参考文献
[1]蔡坤鹏，王睿，第四种无源电子元件忆阻器的研究及应用进展， 电子元件与材料，2010 .4，第29 卷 第4 期 [2] Ralph Raiola,忆阻器的应用,今日电子无源器件特刊， 2008.11，总第183期 [3]向辉,存储芯片设计实现新突破，世界科学，2008.7 [4]于京生, 刘振永，关于忆阻器的一些思考，石家庄师范专科学校 学报，2003.5，第5卷第3期 [5] CHUA L O. Memristor - the missing circuit element [J]. IEEE Trans Circuit Theory, 1971, 18(5): 507-519 [6] Andy Yang,忆阻器,瘾科学,2010.3
一种利用SPWM控制实现的大功率忆阻器电路[发明专利]
![一种利用SPWM控制实现的大功率忆阻器电路[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/41c7e9de10661ed9ac51f3d7.png)
专利名称：一种利用SPWM控制实现的大功率忆阻器电路专利类型：发明专利
发明人：陈艳峰,谭斌冠,张波
申请号：CN201610326768.7
申请日：20160517
公开号：CN105976861A
公开日：
20160928
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种利用SPWM控制实现的大功率忆阻器电路，包括电感L，电容C，电阻Rc，电阻Ron，电阻Roff，晶闸管，PI控制器，比较放大器。
电感L使电流连续，并与电容C，电阻Rc构成低通滤波器，使输入电压与输出电流同相位。
PI控制器将输入电压进行积分得到磁通变量，比较放大器将磁通变量与三角载波进行比较得到SPWM波形，晶闸管与电阻Roff并联组成SPWM波形控制的可变电阻器。
本发明利用SPWM波形改变可变电阻器阻值，使其符合忆阻器阻值特性；使用电阻，电感，电容，晶闸管等功率器件，电路结构简单，理论上可实现任意等级的功率忆阻器；利用低通滤波器使得输出电流连续，并与输入电压具有相同的相位。
申请人：华南理工大学
地址：510640 广东省广州市天河区五山路381号
国籍：CN
代理机构：广州市华学知识产权代理有限公司
代理人：罗观祥
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尚大山忆阻器计算技术
尚大山忆阻器计算技术尚大山忆阻器计算技术是一种用于电路设计和分析的重要工具。
它可以帮助工程师们更好地理解电路中的电流和电压关系，并进行相应的计算。
本文将详细介绍尚大山忆阻器计算技术的原理和应用。
一、尚大山忆阻器计算技术的原理尚大山忆阻器计算技术基于电路的基本原理和尚大山忆阻器的特性。
尚大山忆阻器是一种具有非线性特性的电子元件，其电流与电压之间的关系不是简单的线性关系。
通过对尚大山忆阻器进行电流和电压的测量，可以得到其电流-电压特性曲线，进而对电路进行分析和计算。
1. 电路设计：尚大山忆阻器计算技术可以帮助工程师们设计各种类型的电路，包括滤波电路、放大电路、稳压电路等。
通过对电路中的尚大山忆阻器进行计算和优化，可以使电路的性能得到最大程度的发挥。
2. 电路分析：尚大山忆阻器计算技术可以帮助工程师们对电路的工作状态和性能进行分析。
通过对电路中的尚大山忆阻器进行电流和电压的测量，可以得到电路中各个元件的工作状态和参数，从而进行进一步的分析和改进。
3. 故障诊断：尚大山忆阻器计算技术可以帮助工程师们对电路中的故障进行诊断和修复。
通过对电路中的尚大山忆阻器进行测量和计算，可以确定故障点的位置和原因，从而进行相应的修复措施。
4. 电路仿真：尚大山忆阻器计算技术可以帮助工程师们进行电路的仿真和验证。
通过对电路中的尚大山忆阻器进行计算和模拟，可以得到电路的工作状态和性能，从而验证电路设计的正确性和可行性。
三、尚大山忆阻器计算技术的优势1. 精确性高：尚大山忆阻器计算技术可以提供较高的计算精确性，能够准确地计算电路中各个元件的参数和工作状态。
2. 可靠性强：尚大山忆阻器计算技术经过多年的实践和验证，已经被广泛应用于各种电路设计和分析中，具有较高的可靠性和稳定性。
3. 适用范围广：尚大山忆阻器计算技术适用于各种类型的电路，无论是简单的电路还是复杂的电路，都可以通过尚大山忆阻器计算技术进行分析和计算。
四、尚大山忆阻器计算技术的发展趋势随着科技的进步和电子技术的发展，尚大山忆阻器计算技术也在不断更新和发展。
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图 2 基于受控电压源的忆阻器等效电路模型 Fig. 2 Circuit model of controlled voltage source
based memristor
对于荷控型忆阻器,图 2(a)的荷控型受控电压
源需满足:
vcq
= vin
-
Riin
= vin
-
R
vin M( q)
=
然而,惠普公司生产的忆阻元件属于纳米尺度 的器件,不能直接用于电路研究,目前主要通过搭建 等效电路的方式实现忆阻器的功能。 如果一个电路 的输入电压和输入电流满足式(1) 或式(2) 所描述 的关系,那么该电路可等效为一个荷控型或磁控型 忆阻器。 常见的忆阻器电路模型由运算放大器、模 拟乘法器等模拟元件构成[11-13] ,即使在采用微控制 器的忆阻器实现方案[14-16] 中, 模数、 数模转换器也 是必不可少的。 由于这些有源元件的功率通常为毫 瓦级,因此上述忆阻器模型仅限于小功率应用场合。
( 华南理工大学电力学院, 广东 广州 510641)
摘要: 由于纳米尺度的忆阻器件不能直接用于电路研究,目前仍通过搭建等效电路的方法实现忆 阻元件的功能。 有别于采用模拟器件的忆阻器等效电路模型,本文提出了几种基于电力电子变换 器的大功率忆阻器实现方法,这些方法的共同特点是电路模型的功率等级由功率半导体器件参数 决定。 接着,本文制作了一台磁控型忆阻器原理样机,仿真和实验结果证明该忆阻器电路模型具有 功率调节范围大、忆阻特性易于调整等优点。 最后,本文探讨了忆阻器在直流断路器等大功率场合 的应用,为拓展忆阻器今后的应用提供了参考。 关键词: 忆阻器; 电路模型; 功率半导体器件; 直流断路器
性原理,蔡教授论证了除电阻、电容、电感之外第四
种基本电路元件忆阻器的存在,并将忆阻 M 和忆导 W 分别定义为[1] :
M(q) = dϕ(q) / dq = v(t) / i(t)
(1)
W(ϕ) = dq(ϕ) / dϕ = i(t) / v(t)
(2)
∫t
式中,q 为电荷量, q(t) = i(τ)dτ ;ϕ 为磁通量, -∞ ∫t
vin
éëêê1
-
R M( q)
ùûúú
(4)
同理,对于磁控型忆阻器,输入电流和电压的关
系为:
iin / vin = W( ϕ)
(5)
相应地,图 2(a)的磁控型受控电压源需满足:
vcϕ = vin - Riin = vin[1 - RW( ϕ) ]
(6)
如果用一个电压源型逆变器作为受控电压源,
如图 2(b)所示,则整个忆阻器电路模型的功率等级
主要由逆变器决定。 采用 PWM 控制技术,令逆变
器的输出电压跟随由式(4) 或式(6) 定义的指令信
号,从而实现不同类型的忆阻器特性。
2. 2 基于可变电阻的忆阻器
文献[18] 提出了一种基于可变电阻的忆阻器
等效电路。 如图 3 所示,该电路包括无源低通滤波
器、由电阻和功率开关管构成的可变电阻[19] 。
开关 S 导通时,可变电阻等效为
Ron
=
RR1 ; R + R1
当 S 关断时,可变电阻等效为
Roff
针对现有忆阻器等效电路模型功率等级低的问 题,有必要提出新的电路模型来提高忆阻器等效电 路的功率等级。 为此,本文基于功率半导体器件,研 究了几种大功率忆阻器的实现方法,为探讨大功率 忆阻器在大功率场合的应用提供了理论基础。
收稿日期: 2019-03-05 基金项目: 广东省自然科学基金团队项目(2017B030312001) 作者简介: 陈艳峰(1970-) , 女, 湖南籍, 教授, 博导, 博士, 研究方向为电力电子变换器的建模与稳定性分析;
由一个受控电压源 vc 和一个固定电阻 R 串联而成, 控制电压 vc 使得输入电压 vin 和输入电流 iin 满足荷 控型忆阻器的定义,即有:
vin / iin = M( q)
(3)
图 3 基于可变电阻的忆阻器等效电路模型 Fig. 3 Circuit model of variable resistor based memristor
第 38 卷 第 5 期 2019 年 5 月
电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol. 38, No. 5 May 2019
大功率忆阻器的实现方法及应用
陈艳峰, 丘东元, 张 波, 袁昌海, 谭斌冠, 卢曰海, 韦兆华
DOI: 10. 12067 / ATEEE1903009 文章编号: 1003-3076(2019)05-0005-08 中图分类号: TN60
1 引言
1971 年,华裔科学家蔡少棠教授发现在电压、
电流、电荷和磁通量四种基本电量之间,缺失了电荷
与磁通量之间的关系,如图 1 所示。 根据电路完备
ϕ(t) = v(τ)dτ。 -∞
图 1 四种基本电路元件的关系 Fig. 1 Relationship of four fundamental circuit elements
满足式(1) 的元件被称为荷控型忆阻器,满足 式(2) 则 为 磁 控 型 忆 阻 器。 当 磁 通 ϕ(t) 和 电 荷
丘东元(1972-) , 女, 广东籍, 教授, 博导, 博士, 研究方向为电力电子装置与系统及其可靠性( 通讯作者) 。
6
电工电能新技术
第 38 卷 第 5 期
2 大功率忆阻器的电路模型
Байду номын сангаас
2. 1 基于受控电压源的忆阻器
文献[17] 提出了一种基于受控电压源的忆阻
器等效电路。 如图 2(a)所示,忆阻器的电路模型是
q(t) 呈线性关系时,有 M(q) = R 或 W(ϕ) = G。 由于一直没有在现实中找到符合忆阻器特性的
物理器件,所以忆阻器提出后并没有引起广泛的关 注。 直到 2008 年,惠普公司首次在实验室中成功地 制作出忆阻元件[2,3] ,激发了国内外学者的研究兴 趣。 由于忆阻器具有随时间记忆的电阻特性,近十 年来,忆阻器的研究主要集中在非线性电路[4,5] 、逻 辑和存储器件[6,7] 、神经网络[8-10] 等方面。