一種二次型憶阻器四階混沌電路

余世成, 曾以成, 李志軍（.湘潭大學光電工程系,湖南湘潭 405；.湘潭大學通信工程系,湖南湘潭 405）

一種二次型憶阻器四階混沌電路

余世成1, 曾以成1, 李志軍2
（1.湘潭大學光電工程系,湖南湘潭 411105；2.湘潭大學通信工程系,湖南湘潭 411105）

由HP實驗室研制的無源憶阻器得到的荷控二次型憶阻器模型,與有源磁控分段線性和三次光滑憶阻器模型相比,更符合實際.利用此模型并基于蔡氏混沌電路演化而來的拓撲對偶結構設計了一種新型憶阻器四階混沌電路.理論分析、仿真及電路實現表明,該電路具有依賴于憶阻器初始狀態的復雜動力學行為,也會產生隨時間和系統參數變化的狀態轉移等非線性動力學現象,在相軌圖中出現“渦眼”和“環眼”.

二次型憶阻器；混沌電路；初始狀態；狀態轉移

0 引言

憶阻器是繼電阻、電容和電感之外的第四種基本雙端電路元件,具有其它三種基本元件任意組合都不能替代的特性[1－2].憶阻器作為一個非線性元件,很容易產生混沌振蕩信號,因此基于憶阻器的混沌電路研究備受關注[3－17].然而,憶阻器電路研究中普遍使用的憶阻器模型分別為分段線性（PWL）[3－6]和三次光滑型[7－8,14－15].二者皆為研究模型,研究人員只是用器件搭建了體現其特性的有源模型電路,并未在實際電路中實現相應模型的無源裝置.我們利用HP實驗室研制的無源憶阻器得到荷控二次型模型,研究基于憶阻器的四階混沌電路,更具實際意義.因為是荷控型憶阻器,為了研究問題的方便采用由經典蔡氏電路轉化而來的拓撲對偶電路,運用常規動力學研究方法[5,12,15－18]對該電路進行平衡點、穩定性等動力學特性分析.

此外,為電路實現需要構建模型的有源電路也是必要的.本文建立一種荷控二次型憶阻器有源模型電路,并在此基礎上對混沌電路進行電路特性的驗證研究.

1 二次型憶阻器四階混沌電路及其理論分析

由文獻[2]可以得到HP實驗室研制的無源憶阻器阻值為

式中M（q）表示憶阻值,與電阻具有同一量綱；D是憶阻器總長度；uv是雜質平均移動速率；RON是導通阻抗；ROFF是關閉阻抗[2].等式右邊除了通過憶阻器電荷q之外,其它量均為常量,故可簡化為

其中,a、b為常量,且有a＞0和b＜0.由（2）式和憶阻器的定義式可得HP實驗室研制的無源憶阻器兩端磁通和通過其電荷關系為

由（3）式可知憶阻器兩端磁通是其電荷的二次函數,稱該憶阻器模型為二次型的.由（2）式可知憶阻值M（q）為電荷的一次函數,因此該憶阻器模型為荷控二次型.

因為該憶阻器為荷控型憶阻器,若直接選用經典蔡氏電路進行非線性器件替換研究,憶阻值M（q）關于電荷q的表達式處于狀態方程的分母,如圖1（a）和方程組（4）所示,使問題的研究變得復雜.因此采用由經典蔡氏電路演化而來的拓撲對偶電路進行荷控二次型憶阻器混沌電路研究,如圖1（b）和方程組（5）所示.

圖1 荷控二次型憶阻器四階混沌電路Fig.1 Change-control quadratic memristor-based fourth-order chaotic circuits

圖1中（a）和（b）所示包含憶阻器電路的狀態方程分別為

將（2）式代入方程組（5）,并令其各式等于零求解系統（5）的平衡點集合

式中c是一個實常數,即系統（5）的平衡點為位于q坐標軸上的點集.為了方便研究簡化參數使得α＝1/L1,β＝1/C,R＝1,L2＝1代入（5）式,并在平衡點線性化系統（5）得到Jacobi矩陣

平衡點集S的特征根方程為

（8）式方括號中的三次多項式方程的系數均為非零實常數.根據Routh-Hurwitz穩定條件,該三次多項式方程根的實部為負的充分必要條件是：

固定參數α＝7,β＝10,a＝1.5和b＝－1,選擇c為可變參數代入（9）式可得平衡點集S穩定所對應的c值范圍為

若憶阻器初始狀態在q坐標上滿足（10）式,其它坐標上初始值為零,則系統（5）從穩定平衡點集S出發的解是漸近穩定的,這時平衡點集S除零特征根之外的三個特征根的實部均為負.反之,可得平衡點集S不穩定所對應的c值范圍為

由此點集出發系統（5）的解是不穩定的,軌跡趨于極限環、混沌軌或者無窮發散.

2 二次型憶阻器混沌電路動力學特性

在上節參數基礎上,選取初始狀態（q（0）,0,0.11,0）中q（0）為可變參數,利用Lyapunov指數譜和相軌圖對圖1（b）所示二次型憶阻器混沌電路進行動力學行為分析.系統（5）隨初始值q（0）＝c變化和隨時間演化的Lyapunov指數譜分別如圖2（a）和圖2（b）所示.為了圖示清晰,圖2（a）中Lyapunov指數曲線L4只畫出了部分.根據李雅普諾夫指數與吸引子關系[5,8]和圖2（a）數值仿真結果可知：當c＜1.702 1或2.358 4＜c ＜2.401 2時系統（5）的李氏指數均小于零,故此時系統是漸近穩定于不動點上；而當1.702 1＜c＜2.358 4 或c＞2.401 2時系統（5）的軌跡為極限環、混沌或發散.圖2（a）數值仿真結果與式（10）和（11）范圍有些許差別,該差異主要是系統（5）的平衡點集S除了三個非零特征根外還有一個零特征根所引起的.圖2（b）為q （0）＝2.316 7時系統（5）隨時間演化的Lyapunov指數譜,由圖可知李氏指數L1大于零,即此時系統處于混沌態.

圖2 隨初始值q（0）變化和隨時間演化的Lyapunov指數譜Fig.2 Lyapunov exponent spectrumswith variation of q（0）and time

選取初始狀態變量q（0）幾個典型常數值c＝1.65、1.722 1和2.316 7描繪系統（5）相應的相軌圖,如圖3所示.其中,圖3（a）描繪c＝1.65時系統q-vc相軌圖,此時系統軌跡是個匯點；圖3（b）描繪c＝1.721 1時系統q-vc相軌圖,此時系統軌跡是一周期極限環；圖3（c）和（d）分別描繪c＝2.316 7時系統q-vc相軌圖和三維圖形,此時系統軌跡是單渦卷混沌軌.

若選取初始狀態為（q（0）,0,10－10,0）,且初始值q（0）為c＝2.316 7、2.41時系統（5）的相軌圖和相應的時序圖如圖4所示.其中,圖4（a）描繪c＝2.316 7時系統q-vc相軌圖和q-t時序圖,此時系統出現了狀態轉移現象,由原來的平衡點狀態趨向最終的混沌狀態,在單渦卷之中出現了一個“渦眼”；圖4（b）描繪c＝2.41時系統q-vc相軌圖和q-t時序圖,系統同樣出現狀態轉移現象,由原來的平衡點狀態趨近于最終的一周期狀態,在極限環中出現一個“環眼”.

圖3 不同初始值q（0）＝c下系統（5）的相軌圖Fig.3 Phase diagrams of System（5）with different initial values q（0）＝c

此外,選取方程中的β為可變參數,初始狀態為（2.316 7,0,0.11,0）,分析系統（5）隨系統參數β變化的動力學行為.此時,系統（5）隨參數β變化的分岔圖如圖5所示.由分岔圖5可知,當β在區間[10, 15]連續變化時系統（5）經歷了混沌態、周期態、穩定點幾種狀態變化,并且呈現出逆向倍周期分岔特性,幾次倍周期分岔分別發生在β＝10.2、10.24和10.44.圖5（b）是圖5（a）局部放大圖,其中β區間為[10.1,10.5].

圖6為β在區間[10,15]連續變化時系統（5）的李雅普諾夫指數譜,由圖可見系統（5）經歷了混沌態、周期態、穩定點幾種狀態變化,進一步驗證了圖5呈現出的系統隨參數β變化所發生的狀態轉移特性.同樣, 圖6（b）是圖6（a）局部放大圖,其中β區間為[10.1,10.5].

選取系統參數β幾個典型常數值β＝10.15、10.25、12和14描繪系統（5）相應的相軌圖,如圖7所示.其中,圖7（a）描繪β＝10.15時系統q-i2相軌圖,此時系統軌跡是單渦卷混沌軌；圖7（b）描繪β＝10.25時系統q-i2相軌圖,此時系統軌跡是二周期極限環；圖7（c）描繪β＝12時系統q-i2相軌圖,此時系統軌跡是一周期極限環；圖7（d）描繪β＝14時系統q-i2相軌圖,此時系統軌跡是個匯點.

圖8描繪系統（5）在不同狀態（β＝10.15和10.25）下且截平面為i1＝0.35時系統龐加萊截面圖,根據系統狀態和龐加萊截面圖關系[19]可知：圖8（a）所示曲線圖映射出系統此時處于混沌狀態,恰好與圖7（a）描繪的系統狀態相對應；圖8（b）所示離散點圖映射出系統此時處于二周期狀態,與圖7（b）描繪的系統狀態相對應.

綜上,由圖3可知二次型憶阻器混沌系統（5）產生了隨初始狀態變化的狀態轉移非線性動力學現象；由圖4可知二次型憶阻器混沌系統（5）產生了隨時間變化的狀態轉移現象；由圖7可知二次型憶阻器混沌系統（5）產生了隨系統參數變化的狀態轉移.同時,由圖5可知隨參數β變化系統（5）處于混沌態區間大致為[10,10.18],處于倍周期分岔區間大致為[10.18,10.45],因此系統（5）在[10,10.45]區間段內對參數的微小變化有較強的敏感性.由此可見,同分段線性（PWL）[3－4]和三次光滑型[8,15]憶阻器混沌電路一樣,二次型憶阻器混沌電路具有與一般混沌系統不同的復雜動力學行為.

圖4 初始狀態為（q（0）,0,10－10,0）時系統（5）的相軌圖和時序圖Fig.4 Phase diagrams and sequence charts of System（5）with initial stare（q（0）,0,10－10,0）

圖5 系統（5）隨參數β變化的分岔圖Fig.5 Bifurcation diagrams of System（5）with variation of parameterβ

圖6 系統（5）隨參數β變化的李氏指數譜Fig.6 Lyapunov exponent spectrums with variation of parameterβof System（5）

圖7 不同參數β下系統（5）的相軌圖Fig.7 Phase diagrams of System（5）with different parameterβ

3 二次型憶阻器有源模型電路實現與混沌電路特性驗證

由于HP實驗室研制的無源憶阻器還未實現商業化生產,因此搭建其有源模型電路進行進一步研究驗證是很有必要的,一種二次型憶阻器有源模型電路構建如圖9所示.

圖9激勵源Vin以右部分電路即可等效為一個二次型憶阻器,該有源模型電路使用了電流反饋運算放大器AD844和乘法器AD633,并有C1＝C2,VH＝＋15V,VL＝－15 V.電流反饋運算放大器AD844的電路特性為

乘法器AD633的電路特性為

圖8 在不同狀態下系統（5）龐加萊截面圖Fig.8 Poincare sections of System（5）with different system states

圖9 二次型憶阻器有源模型電路Fig.9 An activemodel circuit of quadratic memristor

由（12）式和（13）式以及器件連接關系得圖9所示有源等效電路表達式為

比較（14）式和（2）式可知該有源模型電路滿足荷控二次型憶阻器憶阻值與電荷之間的特性關系,實現了電路等效.當激勵源Vin為正弦信號,該憶阻器等效模型i-v特性如圖10所示,其中各器件參數值為：R1＝16 kΩ,R2＝3 kΩ,R3＝6 kΩ,R4＝10 kΩ,C1＝C2＝100 nF.圖10（a）是激勵源Vin頻率為200 Hz時憶阻器等效模型i-v曲線,曲線形狀為斜八字型；圖10（b）是激勵源Vin頻率為2 kHz時等效模型i-v曲線,此時曲線退化為一條過原點直線.因此,電路仿真結果表明該二次型憶阻器有源模型電路特性符合文獻[2]描述的HP實驗室研制的無源憶阻器電路特性.

基于該有源模型電路的二次型憶阻器四階混沌電路如圖11所示,使用運算放大器AD711是為了實現負阻－R[5,8,13],其中相應器件參數值為：R＝2.1 kΩ,R5＝R6＝2 kΩ,L1＝9 mH,L2＝63 mH,C3＝6.3 nF.

式（14）表明通過憶阻器的電荷q可由電容C1兩端的電壓vc1表示,因而電路初始狀態的電荷值q（0）即由電容C1初始時刻的電壓值IC（C1）體現.選取初始狀態（IC（C1）,0,11×10－8,0）,此時基于二次型憶阻器有源模型混沌電路在不同初始值IC（C1）下電路特性如圖12所示.圖12（a）是IC（C1）＝1.42 V時,電路中電容C1和電容C3上電壓關系圖,也即是系統（5）的q-vc相軌關系圖,此時系統軌跡是一周期極限環；圖12（b）是IC（C1）＝1.55 V時,二者電壓關系圖,此時系統軌跡是單渦卷混沌軌.由此可知二次型憶阻器有源模型混沌電路隨初始狀態變化發生了狀態轉移,對電路初值有較強的敏感性.

圖10 二次型憶阻器有源模型在不同頻率下i-v特性Fig.10 Characteristic i-v of activemodel circuit at different frequencies

圖11 基于二次型憶阻器有源模型的四階混沌電路Fig.11 A fourth-order chaotic circuit based on activemodel circuit

圖12 基于憶阻器有源模型混沌電路在不同初始值IC（C1）下電路特性Fig.12 Circuit characteristics of chaotic circuitwith different initial values IC（C1）

4 總結

從HP實驗室研制的無源憶阻器出發,推導出其荷控二次型憶阻器模型.在此基礎上,研究了基于此模型的憶阻器四階混沌電路,為了方便問題的研究采用經典蔡氏電路演化而來的拓撲對偶電路,使用常規動力學研究方法對其特性進行了相應的理論分析和數值仿真,結果表明：荷控二次型憶阻器四階混沌電路具有隨初始狀態、時間和系統參數變化而發生狀態轉移的復雜非線性動力學行為,相軌圖中出現“渦眼”和“環眼”,對電路初值和系統參數有較強的依賴性和敏感性.同時,構建一種荷控二次型有源模型電路對其混沌電路特性做進一步驗證.此外,與憶阻器混沌振蕩電路研究中普遍使用的分段線性（PWL）和三次光滑型憶阻器模型相比,研究基于荷控二次型憶阻器混沌電路,由于該模型無源器件的存在而更具實際意義.

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A Quadratic M em ristor-based Fourth-order Chaotic Circuit

YU Shicheng1,ZENG Yicheng1,LIZhijun2
（1.Department ofOptoelectronic Engineering,Xiangtan University,Xiangtan Hunan 411105,China；
2.Department ofCommunication Engineering,Xiangtan University,Xiangtan Hunan 411105,China）

Compared with active piecewise linear（PWL）and cubic smoothmemristormodel adopted inmostmemristor-based chaotic circuits,charge-control quadratic memristormodel ismore practical,which is derived from a passive device fabricated by HP Labs.Based on the model and a topological dual structure of Chua’s chaotic circuit,a memristor-based fourth-order chaotic circuit was designed.As is verified by theoretical analysis,simulation and circuit realizations,the charge-control quadratic memristor-based chaotic circuit has complex dynamical behaviors relying on initial state ofmemristor.Meanwhile,non-linear dynamical phenomenon of state transition is generated along with variation of initial state,time and system parameters.An eye of scroll and an eye of limit cycle are observed in phase diagrams of chaotic circuits.

quadratic memristor；chaotic circuit；initial state；state transition

1001-246X（2015）06-0735-09

O415.5

A

2013－12－20；

2014－07－14

國家自然科學（61176032,61233010）資助項目

余世成（1989－）,男,漢族,福建南平,碩士研究生,研究方向：基于憶阻器的混沌電路應用于信號檢測, E-mail：shichengyu＠126.com