Memristör simülatörü ve uygulamaları

Memristör, yük ile akı arasındaki fonksiyonel ilişkiyi sağlayan iki uçlu bir elemandır. İlk olarak 1971 yılında Chua tarafından temel non-lineer devre elemanı olarak tanımlanmıştır. HP Laboratuvarından Stanley Williams ve grubu, Chua tarafından tanımlanan davranışı sergileyen özelliklere sahip nano ölçekli TiO2 pasif memristör elemanını gerçeklediğini duyurduktan sonra memristorun sensörler, bellek aygıtları, hücresel sinir ağları, analog devreler ve kaotik devreler gibi potansiyel uygulamalarına yönelik çalışmalar dünya çapında bilim adamları arasında artmıştır. Bununla birlikte, TiO2 memristor, nano ölçekli cihazların üretiminde karşılaşılan mali ve teknik zorluklardan dolayı halen ticari bir ürün olarak mevcut değildir. Devre uygulamalarında memristif davranışı açıklamak ve uygulamak için birçok teorik model literatürde yerini almıştır. Bunların çoğunluğunu kapsayan matematiksel modeller ve SPICE modelleri fiziksel uygulamalarda kullanılamazlar. Bu sebeple, TiO2 memristörün dinamik davranışını bire bir taklit eden aktif memristör emülatör devreleri ve Chua tarafından tanımlanan akı-yük bağıntısını sağlayan memristans simülatörü devreleri literatürde yerini almaya başlamıştır. Bu çalışmada Chua tarafından önerildiği gibi akı ve yük arasında non-lineer bir bağıntı sağlayan iki adet memristans simülatörü devresi tasarlanmış, bunlara ait SPICE benzetimleri ve deneysel çalışmalar ile tasarlanan devrelerin memristif karakteristiği doğrulanmıştır. Tasarlanan devrelerden bir tanesi CCII+ temelli ve iki ucu serbest tasarıma uygundur. Diğeri ise DO-OTA temelli, iki ucu serbest ve elektronik olarak kontrol edilebilirdir. Piyasada bulunan tümleşik devrelerle gerçeklenmeye uygun ve basit yapıdadırlar. Çalışma frekans aralıkları literatürdeki çoğu benzer çalışmaya göre geniştir. Tasarlanan yapıların çalışabilirliğini kontrol etmek amacıyla, non-lineer bileşenlerin memristans değişkeni sayesinde sağlandığı kaotik devrelerin gerçeklenmeleri ve analizleri üzerine çalışılmıştır. Kaos devreleri özellikle güvenli haberleşme sistemleri ve karmaşık olayların modellenme çalışmaları için çok önemli bir birimdir. Literatürde yaygın olarak çalışılan çift çekici Chua kaotik devresinin ve Rössler kaotik çekicisinin tasarlanan CCII+ temelli memristans simülatörü ile gerçeklenmesi yapılmıştır. Çatallanma diyagramı, denge noktaları, Lyapunov üstelleri gibi matematiksel analizleri MATLAB ortamında yapılmış, yine piyasada bulunan tümleşik devreler ile gerçeklenerek matematiksel analizler ile deneysel sonuçların birbirini doğruladığı gösterilmiştir. Önerilen memristans simülatörü yapılarının adaptifliği de bu çalışmalar ile gösterilmiştir. Son olarak, kaos devrelerinin kullanım alanlarından olan rassal sayı üreteci tasarımı üzerine çalışılmıştır. Tasarlanan çift çekici kaotik devresi işaretlerinin piyasada bulunan ADC'ler ile örneklenmesi ile, düşük hassasiyette, performansı yüksek, gerçek rassal sayı üreteci gerçeklemesi yapılmıştır. Elde edilen bit dizisi NIST-800-22 istatistiksel test paketinden başarı ile geçerek rassal yapısı doğrulanmıştır.