文摘

在这篇文章中,一个完全集成的忆阻器仿真器使用运算放大器(OAs)和模拟乘法器是模拟。基于完整的记忆电阻,scroll-controllable超混沌系统。通过控制可编程开关的非线性函数,memristor-based超混沌系统达到可控数字滚动。此外,memristor-based超混沌系统是完全集成在一个单芯片,达到更低的电源电压,降低功耗,更小的芯片面积。完全集成的忆阻器和memristor-based超混沌系统进行了验证与GlobalFoundries的0.18μm CMOS工艺使用节奏集成电路设计工具。postlayout仿真结果证明memristor-based完全集成超混沌系统消耗90.5 mW±2.5 V电源电压和紧凑的芯片面积1.8毫米2。

1。介绍

忆阻器和multiscroll混沌系统是近年来两个研究热点。虽然,忆阻器不是商业化,很多记忆性模拟器已报告(1- - - - - -5]。基于这些记忆性仿真器,各种memristor-based混沌电路被提出(6- - - - - -12而他们有效地促进记忆性电路理论的发展。

大多数现有的记忆性模拟器和memristor-based混沌电路实现使用商用现成的离散组件与案板或现场可编程门阵列(FPGA)。试验板或fpga混沌电路难以实现低电压和低功耗条件。我们都知道,完全集成电路的电源电压较低的优势,降低能耗,更加稳定和方便比breadboard-based同行。克鲁斯和蔡13,14意识到蔡完全集成的电路和非线性电阻在1992年和1993年。Elwakil et al。15]在2002年意识到另一个集成的混沌系统,进一步验证了集成的混沌电路的优点。然而,现有的集成混沌电路非常简单;他们可能没有意识到更复杂的混乱。

为了实现更实际和复杂的集成memristor-based混沌电路,一个完全集成的记忆电阻模拟器和scroll-controllable超混沌系统提出和验证。节奏IC设计工具布线后仿真结果验证了完全集成memresistor和memristor-based scroll-controllable超混沌系统都是可行的,可实现的和完全集成的方法将进一步促进混沌电路的实际应用和系统。

2。完全集成Scroll-Controllable超混沌系统及其动力学分析

2.1。运算放大器的实现

在一个完全集成的混沌系统,复杂和高性能的OA是不必要的,低电压和低功耗设计两级OA完全集成的结构简单混沌系统提出了图1(16]。设计操作放大器的电源电压 。p沟道晶体管米7- m9(17M和n沟道晶体管10- m11由一个双端输入单端输出差动输入级;米12和M13由第二个常见放大器阶段;米14和电容器 由两个阶段之间的频率补偿网络;晶体管米1- m6包括OA的偏置电路。


图1
办公自动化设计。

运算放大器的模拟的振幅和相位频率特性图2。从标志着米0- m3,很明显,运算放大器的电压增益约30 dB, 3 dB带宽218.5 kHz,阶段保证金约86.22°。其静态功耗约为5.85 mW±2.5 V电源电压。


图2
OA的振幅和相位频率。
2.2。模拟乘法器的实现

模拟乘法器用于记忆电阻呈现在图3。经典的吉尔伯特结构(18采用-20]。M4和M5由跨导的阶段;米6- m9由吉尔伯特切换阶段,M10- m13由荷载阶段的模拟乘法器。设计了模拟乘法器的电源电压 。


图3
设计模拟乘法器。

瞬态响应的模拟乘法器设计呈现在图4。 和 是两个输入电压;他们的输入权力都是10−dBm,及其频率100 MHz和10 MHz,分别。 模拟乘法器的输出电压。从上面的仿真结果,很明显 是高频载波, 是低频输入信号,乘法实现输出电压 。


图4
模拟乘法器的瞬态响应。
2.3。完全集成的忆阻器

记忆电阻器可以分为flux-dependent charge-dependent记忆电阻器。一个完全集成flux-controlled忆阻器采用这项工作,及其电路实现使用运算放大器和乘数呈现在图5。


图5
完全集成的忆阻器。

的电压和电流关系flux-controlled记忆电阻可以表示为 在哪里 是一个增量memductance函数(21]。为了研究忆阻器的特点及应用,各种数学模型和仿真器电路的忆阻器近年来已报告(1- - - - - -3,22]。根据(6,23),二次非线性是用来表示memductance功能: 在哪里 和 是两个积极的常量。

图6仿真结果显示了节奏的频率相关的磁滞回线的忆阻器图5操作在不同的频率。忆阻器的电路元件使用 kΩ, kΩ, kΩ, pF, OA的供应电压和乘数都±2.5 V。

(一)千赫
(一) 千赫
(b)兆赫
(b) 兆赫
(c)兆赫
(c) 兆赫
图6
节奏的频率相关的磁滞回线操作仿真结果(a) 100 kHz, (b) 1 MHz, (c) 5 MHz。

图6(一)仿真结果,输入电压的频率等于100 kHz,和清晰的磁滞回线。图6 (b)仿真结果,输入电压的频率等于1 MHz;的磁滞回线的边缘变得有点模糊,和捏磁滞回线的中心变得狭窄。图6 (c)仿真结果,输入电压的频率等于5 MHz;的磁滞回线的边缘变得更加模糊,和捏磁滞回线的中心变得更加狭窄。从仿真结果图6,很明显,完全集成的忆阻器可以从1千赫至1 MHz正常运作。使用现成的离散组件与记忆电阻与案板(24- - - - - -28),完全集成的忆阻器可用于高频率的应用程序。

2.4。可编程的楼梯功能电路

拟议的完全集成可编程楼梯功能电路呈现在图7实现,它使用OA图设计2。忆阻器的电路元件使用 kΩ, kΩ, kΩ, kΩ, kΩ。提出的可编程中使用的可编程MOS开关楼梯功能电路呈现在图8。可编程MOS开关由一个NMOS和PMOS晶体管,它可以开启和关闭控制偏置电压 和 (29日,30.]。


图7
可编程的楼梯功能电路。

图8
数字化可编程MOS开关。

通过控制开关1,年代2,年代3在图7,楼梯的数量可以被改变。当开关年代1和S3关闭,楼梯获得(图9(一个) )。当开关年代2是关闭的,年代1和S3得到了开启和两个楼梯(图9 (b) )。当开关年代1,年代2,年代3都打开,三个楼梯获得(图9 (c) )。作为一个例子,当开关2是关闭的,年代1和S3是打开的;模拟楼梯功能电路 呈现在图9 (d)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图9
楼梯功能:(a) ,(b) ,和(c) 。(d)模拟楼梯功能电路 。
2.5。拟议的完全集成Scroll-Controllable超混沌系统及其动力学分析

拟议的完全集成scroll-controllable超混沌系统呈现在图10。它由一个典型的混蛋系统[31日- - - - - -35)和一个flux-controlled记忆电阻如图5。有三个集成商(OA1,办公自动化2,办公自动化4)和两个反向比例运算符(OA3和办公自动化5)完全集成scroll-controllable超混沌电路。用于混沌电路的电路元素 kΩ, kΩ, kΩ, pF。


图10
提出scroll-controllable超混沌电路。

从图10,可以获得以下表达式: 在哪里 memductance记忆电阻和吗 楼梯功能电路的输出图吗5。的楼梯 可以改变的可编程开关,和混沌系统的卷轴是可控的。

为了探索完全集成超混沌系统的非线性动力学、李雅普诺夫指数和分岔图研究了使用MATLAB仿真结果。

混沌系统的无量纲方程可以表示为 在哪里 和 和 有两个积极的参数。

让 ,分岔图呈现在图11。从图11,很明显,系统混乱,什么时候 改变从0到2。通过调整系统的李雅普诺夫指数 从0到2呈现在图12。从图12,很明显,有两个李雅普诺夫指数大于零的系统,该系统是一个超混沌系统。考虑到数据11和12的李雅普诺夫指数和分岔图表明,所提出的系统混乱和它可以产生复杂的动态行为。


图11
分岔图通过调整 从0到2。

图12
李雅普诺夫指数通过调整 从0到2。

3所示。Postlayout完全集成Scroll-Controllable超混沌电路的仿真结果

拟议的完全集成scroll-controllable超混沌系统使用节奏集成电路设计验证工具5.1.41幽灵模拟器GlobalFoundries的0.18μCMOS技术。美洲国家组织的电源电压和乘数±2.5 V,和整个混沌系统的功耗约为90.5兆瓦。根据标准的GlobalFoundries的0.18μm CMOS工艺,有两个问题,应该考虑在混沌电路的完全整合。首先,电容和电感器不应超过1 nF和1 mH,因为大电容和电感器无法实现标准的一体化进程。第二,难以实现复杂的混沌系统,由于集成电路供给电压非常低(小于5 V)。

提出了混沌振荡器的芯片布局图如图13,它需要一个紧凑的芯片面积1.8毫米2包括测试垫。导师Calibre软件用于设计规则检查(DRC),布局和示意图(lv)和寄生提取混沌系统(PEX)。基于芯片的布局图13并考虑寄生提取芯片布局,postlayout仿真结果给出的数字14- - - - - -22。


图13
混沌电路的芯片布局图(1.8毫米2)。

图14
的相图 - - - - - - 飞机的2是打开,年代1和S3是关闭的)。

图15
的相图 - - - - - - 飞机的2是打开,年代1和S3是关闭的)。

图16
的相图 - - - - - - 飞机的2是打开,年代1和S3是关闭的)。

图17
的相图 - - - - - - 飞机的1和S3年代,打开吗2是关闭的)。

图18
的相图 - - - - - - 飞机的1和S3年代,打开吗2是关闭的)。

图19
的相图 - - - - - - 飞机的1和S3年代,打开吗2是关闭的)。

图20
的相图 - - - - - - 飞机的1,年代2,年代3都是打开)。

图21
的相图 - - - - - - 飞机的1,年代2,年代3都是打开)。

图22
的相图 - - - - - - 飞机的1,年代2,年代3都是打开)。

当开关年代2是打开,年代1和S3关闭,single-stair非线性阶梯函数添加到混沌系统,在数据和仿真结果给出了吗14- - - - - -16。

数据14- - - - - -16阶段的画像吗 - - - - - - , - - - - - - , - - - - - - 飞机。因为非线性阶梯函数添加的x轴,有两个卷轴的 - - - - - - 和 - - - - - - 飞机和滚动之一 - - - - - - 飞机。

当开关年代1和S3年代,打开吗2是关闭和two-stair非线性阶梯函数添加到混沌系统,在数据和仿真结果给出了吗17- - - - - -19。

数据17- - - - - -19阶段的画像吗 - - - - - - , - - - - - - , - - - - - - 飞机。同样,非线性阶梯函数中还添加了x轴,有三个卷轴的 - - - - - - 和 - - - - - - 飞机,一个滚动的 - - - - - - 飞机。

当开关年代1,年代2,年代3都打开,添加three-stair非线性阶梯函数的混沌系统,并给出了仿真结果数据20.- - - - - -22。

数据20.- - - - - -22阶段的画像吗 - - - - - - , - - - - - - , - - - - - - 飞机。同样,非线性阶梯函数中还添加了x轴,有四个卷轴 - - - - - - 和 - - - - - - 飞机,一个滚动的 - - - - - - 飞机。

显然,通过使用楼梯可编程开关电路,很容易产生可控卷轴的提议完全集成scroll-controllable超混沌系统。

4所示。结论

这项工作提出了一个新颖的完全集成memristor-based scroll-controllable超混沌系统。验证了混沌系统通过分岔图和李雅普诺夫指数。此外,新的混沌系统实现使用OA和乘法器设计和模拟使用节奏IC设计工具和GlobalFoundries的0.18μCMOS工艺。希望这个工作的调查将导致更有效和系统完全集成的低电压和低功耗混沌电路的研究,提高混沌电路的实际应用。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。61561022),湖南省自然科学基金(2017 jj3254),湖南省教育项目(16号b212和15 c0550)和吉首大学的博士科研基金会授予jsdxxcfxbskyxm07之下。