Optoelektronik Tabanlı Gerilim Kontrollü Memristör Emülatörü

Yıl 2025, Cilt: 15 Sayı: 1, 153 - 164, 25.01.2025

Arif Kivanc Ustun , Meltem Apaydın Üstün , Reşat Mutlu

Öz

1971 yılında Memristör'un dördüncü temel devre elemanı olduğu Dr. Chua tarafından ileri sürülmüştür. 1976 yılında Memristif sistemlerin varlığının farkına varılmıştır. Memristör doğrusal olmayan hafızalı pasif bir devre elemanıdır. 2008 yılında bir TiO2 ince filmin belli bir çalışma aralığında memristör gibi davrandığı gösterilmiştir. Bundan sonra memristör oldukça popüler bir araştırma alanı olarak ortaya çıkmıştır. Memristörlerin piyasaya çıkmalarıyla birlikte hafızaya sahip olmaları nedeniyle kontrol, sinyal işleme, programlanabilir mantık, filtreleme ve haberleşme elektronik sistemleri, hafıza çipleri vb. alanlarda yenilikler getirmesi beklenilmektedir. İnce film memristif sistemler sadece az sayıda şirket ve üniversiteler tarafından elde edilebilmektedir. Bu nedenle çoğu araştırmacı çalışmalarında hala simülasyonlar ve/veya memristör emülatörleri kullanmaktadır. Literatürde bildiğimiz kadarıyla optik prensiplerle veya optik devre elemanlarıyla çalışan az sayıda memristör emülatörü bulunmaktadır. Bu çalışmada literatürde ilk kez çift memristansa sahip gerilim kontrollü bir optoelektronik tabanlı memristör emülatörü tasarlanmıştır. Çalışmada önce emülatörün denklemleri türetilmiş, ardından Simulink benzetim programı kullanılarak yapılan benzetimler ve yapılan deneyler ile emülatörün memristör davranışını taklit edebildiği doğrulanmıştır. Memristör emülatörünün iyi bir performansa sahip olduğu gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Memristör, Memristör Emülatörü, LED, Işığa Bağımlı Direnç, Elektronik Tasarım, Optoelektronik

Etik Beyan

Hazırlanan makalede etik kurul izni alınmasına gerek yoktur. Hazırlanan makalede herhangi bir kişi/kurum ile çıkar çatışması bulunmamaktadır.

Kaynakça

• [1] L. O. Chua, “Memristor - The Missing Circuit Element,” IEEE Trans. Circuit Theory, vol. 18, pp. 507-519, 1971.
• [2] L. O. Chua & S. M. Kang, “Memrisive devices and systems,” Proc. IEEE, vol. 64, pp. 209-223, 1976.
• [3] S. Williams, “How we found the missing memristor,” IEEE Spectrum, pp. 45(12), 28– 35, 2008.
• [4] S. Williams, D. B. Strukov, G. S. Snider & D. R. Stewart, “The missing memristor found,” Nature (London), vol. 453, pp. 80-83, 2008.
• [5] Y. V. Pershin and M. Di Ventra, “Memory effects in complex materials and nanoscale systems,” Adv. Phys., vol. 60, pp. 145–227, Apr. 01, 2011.
• [6] Y. Pershin, J. Martinez-Rincon & M. Di Ventra, “Memory circuit elements: from systems to applications,” Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 8(3), pp. 441-448, 2011.
• [7] P. Adhikari, M. P. Sah, H. Kim, and L. O. Chua, “Three fingerprints of memristor,” IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 60, no. 11, pp. 3008–3021, 2013.
• [8] S. Vongehr, X. Meng, “The missing memristor has not been found”, Scientific reports, 5(1), 11657, 2015.
• [9] Y. Pershin, M. Di Ventra, “Practical Approach to Programmable Analog Circuits with Memristors”, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Vol. 57, p.p. 1857 – 1864, 2010.
• [10] L. Chua, “Resistance switching memories are memristors,” Appl. Phys. A, vol. 102, pp. 765–783, Mar. 01, 2011.
• [11] T. Prodromakis, C. Toumazou “A Review on Memristive Devices and Applications “Electronics, Circuits, and Systems (ICECS), 17th IEEE International Conference on, pp. 934 – 937, 2010.
• [12] R. Marani, G. Gelao, and A. G. Perri, “A review on memristor applications,” International Journal of Advances in Engineering & Technology, 8(3), 294. 2015.
• [13] Bednarz, K. and Garda, B., “Measurement and Modeling of Self-Directed Channel (SDC) Memristors: An Extensive Study”, Energies, 17(21), p.5400, 2024.
• [14] Dalmış, C., Mutlu, R., & Karakulak, E., “Existence of Capacitive Effects in a Tungsten-based SDC Memristive System”, Electronic Components and Materials, 53(3), 121-135, 2023.
• [15] Parlar, İ., & Almalı, M. N., “Memristör taklit devresi kullanılarak yeni bir işlemsel yükselteç modeli ve faz kaydırmalı osilatör devresine uygulanması”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 39(3), 1963-1972, 2024.
• [16] Özgüvenç, A., Mutlu, R., Karakulak, E., “Sawtooth signal generator with a memristor”, 1st International Conference on Engineering Technology and Applied Sciences, 2016.
• [17] Babacan, Y., Kaçar, F., & Gürkan, K., “A spiking and bursting neuron circuit based on memristor”, Neurocomputing, 203, 86-91, 2016.
• [18] M. T. Abuema'atti & Z. J. Khalifa, “A new memristor emulator and its application in digital modulation”, Analog Integrated Circuits Signal Processing, pp. 80, 577–584, 2014.
• [19] M. T. Abuema'atti & Z. J. Khalifa, “A continuous-level memristor emulator and its application in a multivibrator circuit”, International Journal of Electronics and Communications, pp. 69, 771–775, 2015.
• [20] O. A. Olumodeji & M. Gottardi, “Emulating the Physical Properties of HP Memristor Using an Arduino and a Digital Potentiometer”, In Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 12th Conference on (pp. 1-4), IEEE, 2016.
• [21] R. Mutlu & E. Karakulak, “Mühendislik Eğitiminde Kullanılabilecek Bir Memristör (Hafızalı Direnç) Taklit Devresi”, Elektrik, Elektronik, Bilgisayar, Biyomedikal Mühendisliği 13. Ulusal Kongresi, 2009.
• [22] Gupta, R. K., Choudhry, M. S., Saxena, V., & Taran, S., “A single MOS-memristor emulator circuit”, Circuits, Systems, and Signal Processing, 43(1), 54-73, 2024.
• [23] Ş. Yener & H. Kuntman, “CMOS DDCC Temelli Memristör Gerçeklemesi ve Kaotik Haberleşme Uygulaması”, ELECO Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, Bursa, 2012.
• [24] Yeşil, A., Babacan, Y., & Kaçar, F., “A new DDCC based memristor emulator circuit and its applications”, Microelectronics Journal, 45(3), 282-287, 2014.
• [25] A. I. Hussein & M. E. Fouda, “A simple MOS realization of current controlled memristor emulator”, International Conference on Microelectronics (ICM), p. 1–4, 2013.
• [26] Z. Cam & H. Sedef, “A new floating memristance simulator circuit based on second generation current conveyor”, Journal of Circuits, Systems, and Computers, pp. 26(2), 1750029-1–1750029-15, 2017.
• [27] R. Mutlu & E. Karakulak, “Analog Çarpıcı Kullanılarak Yapılmış Lineer Sürüklenme Hızlı TiO2 Memristör (Hafızalı Direnç) Taklit Devresi”, In Electrical, Electronics and Computer Engineering (ELECO), 2009.
• [28] B. Muthuswamy, “Implementing memristor based chaotic circuits”, International Journal of Bifurcation and Chaos, pp. 20(5), 1335-1350, 2010.
• [29] Güloğlu, A., Yener, Ş. Ç., & Mutlu, R., “A Power Factor Corrector Boost Converter Based Memristor Emulator”, Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Electrical Engineering, 48(2), 803-815, 2024.
• [30] Zakhidov, A. A., Jung, B., Slinker, J. D., Abruña, H. D., & Malliaras, G. G., “A light-emitting memristor”, Organic Electronics, 11(1), 150-153, 2010.
• [31] Wang, T.Y., Meng, J.L., Li, Q.X., He, Z.Y., Zhu, H., Ji, L., Sun, Q.Q., Chen, L. and Zhang, D.W., “Reconfigurable optoelectronic memristor for in-sensor computing applications”, Nano Energy, 89, p.106291, 2021.
• [32] Xue, W., Ci, W., Xu, X. H., & Liu, G., “Optoelectronic memristor for neuromorphic computing”, Chinese Physics B, 29(4), 048401, 2020.
• [33] Hu, L., Yang, J., Wang, J., Cheng, P., Chua, L. O., & Zhuge, F.. All‐optically controlled memristor for optoelectronic neuromorphic computing. Advanced Functional Materials, 31(4), 2005582, 2021.
• [34] Shrivastava, S., Keong, L. B., Pratik, S., Lin, A. S., & Tseng, T. Y., “Fully photon controlled synaptic memristor for neuro‐inspired computing”, Advanced Electronic Materials, 9(3), 2201093, 2023.
• [35] Wang, X. Y., Fitch, A. L., Iu, H. H., Sreeram, V., & Qi, W. G., “Implementation of an analogue model of a memristor based on a light-dependent resistor”, Chinese Physics B, 21(10), 108501, 2012.
• [36] Wang, X., Wang, G., & Wang, X., “Dynamic character analysis of a LDR, memristor-based chaotic system”, Journal of Circuits, Systems and Computers, 23(06), 1450085, 2014.
• [37] Tulumbacı, F., & Mutlu, R., “An optoelectronic-based memristor emulator circuit with a rational memristance function”, Optoelectronics and Advanced Materials, Rapid Communications, 2021.
• [38] Arapi, M., Karakulak, E., & Mutlu, R., “A Microcontroller Controlled Optocoupler-Based Memristor Emulator and Its Usage in a Low-Pass Filter”, Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Electrical Engineering, 1-13, 2024.
• [39] Raj, N., Ranjan, R. K., & Khateb, F., “Flux-controlled memristor emulator and its experimental results”, IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, 28(4), 1050-1061, 2020.
• [40] Korkmaz, R. T., Mert, O., & Mutlu, R., “Examination of Resistive Switching Energy of Some Nonlinear Dopant Drift Memristor Models”, Informacije MIDEM: Journal of Microelectronics, Electronic Components & Materials, 53(4), 2023.
• [41] Arapi, M., & Mutlu, R., “An optocoupler-based Biryukov oscillator design”, European Journal of Engineering and Applied Sciences, 6(1), 1-7, 2023.
• [42] Tulumbaci, F., “Işığa bağlı direnç ve led kullanılarak yapılmış bir memristör emulatör devresi”, (Yüksek Lisans Tezi), Namık Kemal Üniversitesi, 2017.
• [43] Köymen, I., Glaros, K. N., & Drakakis, E. M. “Class A and Class AB CMOS-Only Nanopower Memristive Dynamics Emulators.”, International Journal of Bifurcation and Chaos, 26(08), 1650127, 2016.
• [44] Çakır, K., “Memristör Tabanlı Bir Liénard Osilatörü Tasarımı”, (Yüksek Lisans Tezi), Namık Kemal Üniversitesi, 2024.
• [45] Altan, M. A., Orman, K., Babacan, Y., & Yesil, A. “Special Memristor and Memristor-Based Compact Neuron Circuit”, Journal of Circuits, Systems & Computers, 33(5), 2024.