New Opportunities In Analog Circuit Design Provided By Memristor

(Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013
(PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013
Bu doktora tez çalışmasında dördüncü temel devre elemanı olarak öne sürülen memristörün analog devre uygulamaları kapsamında memristör temelli filtreler, zamanlayıcılar, kaotik devreler, Duffing osilatörleri ile CMOS temelli memristör gerçeklemeleri üzerine analiz, tasarım ve benzetimler gerçekleştirilmiştir. Memristörün doyma durumunun, kutuplama yönünün filtre davranışına etkisi ve katacağı olanaklar incelenmiştir. Memristör temelli filtrelerde ortaya çıkan harmonik bozulma incelenmiş, memristörün klasik dirençli yapıya oranla devreye getirdiği ilave bozulmaları azaltmak için yöntemler önerilmiştir. İlk incelemeler, dinamik modeller temel alınarak numerik benzetimler yoluyla yapılmıştır. Memristör temelli filtrelerin doğrusal olmayan yapıları ve analitik olarak çözülemez bağıntıları için Maclaurin açılımı ve perturbasyon teorisi kullanılarak yaklaşık analitik modeller ortaya konmuştur. Memristör temelli band-geçiren filtre ile bir EEG işareti filtreleme uygulaması sunulmuştur. Memristör temelli bir zamanlayıcı uygulaması gerçekleştirilmiştir. Memristörün doğrusal sürüklenme hızı temelli modeli kullanılarak ters paralel bağlı iki memristör ile kübik memristör modeli elde edilebildiği Maclaurin açılımı ile gösterilmiştir. Oluşturulan ters paralel bağlı yapı ile Chua devresinde kaotik dinamiğin elde edildiği gösterilmiştir. Memristör temelli Duffing osilatörü gerçeklemesi üzerine iki tasarım sunulmuştur. Kübik tanımlı akı kontrollü memristör bağıntısından yola çıkılarak yük kontrollü kübik tanım bağıntısı elde edilmiştir. Memristörün CMOS gerçeklemesine ilişkin tasarımlar sunulmuştur. İlk yapı DDCC temelli CMOS bloklarla oluşturulmuştur. Bu yapı aynı zamanda tümüyle CMOS yapıda bir kaotik devre oluşturacak şekilde tasarlanmış, bu kaotik devre ile memristör temelli kaotik haberleşme uygulaması gerçekleştirilmiştir. İkinci yapı DTMOS temelli çok düşük gerilimli ve güç tüketimli işlemsel kuvvetlendirici ve çarpıcı yapıları temelli oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlar ve gerçekleştirilen tüm benzetimler ile sunulan analizlerin; tasarımların ve metodolojinin doğruluğu ve başarımı ortaya konmuştur.
In the dissertation, analog applications of the fourth fundamental circuit element memristor; analog filters, timers, chaotic circuits, Duffing oscillators with memristors and CMOS schemes for memristors are analyzed, designed and simulated. Some properties of the memristor on filters, such as memristive switching and the polarity of memristor on filter waveforms and total harmonic distortion are examined by using various models of memristor. Some of these filters are unsolvable analytically and to solve them Maclaurin expansion and perturbation theory have been used for the first time. It is shown that the filter components such as gain and quality factor can be adjusted using the memristor. Memristor-based band-pass filter is used for processing real EEG data. A memristor-based timer circuit is proposed. Two anti-parallel connected titanium dioxide memristors are used to implement almost cubic charge-flux characteristic by using Maclaurin expansion and they have been used in the Chua’s circuit to demonstrate their application in a chaos circuit. Two kind of memristor-based Duffing oscillator topologies are designed. Cubic polynomial assumption for charge controlled memristor is also obtained by using flux controlled definition. CMOS based implementations for memristor are presented. Implementation for memristor and chaotic behavior are obtained by using fully CMOS DDCC based circuit. Based on this design, a secure communication application is presented. An ultra low-voltage ultra low-power DTMOS-based design for memristor is proposed. The design is composed of ultra low-voltage, ultra low-power operational amplifier and multiplier. Results obtained and SPICE simulations performed verify accuracy and performance of the design and methodology.
Doktora
PhD