전기 기본 소자에는 전자회로 설계와 신경회로망 응용에 사용되는 저항, 인덕터 그리고 커패시터 등 3가지 소자 외에도 4 번 째의 전기소자라고 할 수 있는 멤리스터가 있다. 멤리스터는 자...

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전주 : 전북대학교 일반대학원, 2018
학위논문(박사) -- 전북대학교 일반대학원 , 전자·정보공학부(전자공학 전공) , 2018. 2
2018
영어
Positive-temperature coefficient (PTC) thermistor ; Pinched Hysteresis loop ; oscillator ; Morris-Lecar model ; calcium and potassium ion-channel memristor ; small unstable limit cycle oscillations ; small-signal circuit model ; local activity ; edge of chaos ; super-critical Hopf-bifurcation ; sub-critical Hopf bifurcation ; basin of attraction ; action potential ; 정 온도계수 써미스터 ; 협착된 히스테르시스 루프 ; 진동기 ; 모리스-르카 모델 ; 칼슘과 칼륨 이온 체널 멤리스터 ; 작은 불안정 고정주기진동 ; 소신호 회로 모델 ; 지역활성 ; 카오스의 경계 ; 초임계 홉 발진 ; 부임계 홉 발진 ; 흡인영역 ; 활동전위
전북특별자치도
A Design Method of an Oscillator Using Nonlinear Memristive Model Based on Local Activity Principle
xxiv, 155 p. : 삽화, 표 ; 26 cm.
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지도교수: 김형석
참고문헌 : p. 148-151
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전기 기본 소자에는 전자회로 설계와 신경회로망 응용에 사용되는 저항, 인덕터 그리고 커패시터 등 3가지 소자 외에도 4 번 째의 전기소자라고 할 수 있는 멤리스터가 있다. 멤리스터는 자기 장과 전하 사이의 비선형 관계를 형성하는 소자로서 Leon Chua교수에 의해 1971년에 처음 그 존재가 알려졌다. 멤리스터의 발견 후 여러 종류의 멤리스터들이 발견되었는데, 상태 종속 오옴의 법칙과 상태 방정식에 따라 이상형(Ideal) 멤리스터, 이상형 일반 (Ideal Generic) 멤리스터, 일반 (Generic) 멤리스터 그리고, 확장 (Extended) 멤리스터 등 4 종류의 멤리리스터 등이 소개되었고, 이 4 개의 종류의 멤리스터로부터 상태방정식 만으로 결정되는 휘발성 및 비휘발성 멤리스터도 소개되었다.
본 논문에서는 여러 종류의 멤리스터와 그 들의 특징들을 연구하고 해석하였다. 또, POP (Power-Off Plot)와 멤리스터가 휘발성인지 비 휘발성인지 를 결정하는데 도움이 되는 Dynamic Route Map (DRM) 에 대해서도 예제와 함께 자세히 설명하였다.
또, 이 논문에서 두 개의 멤리스터 모델에 기반한 전기 진동기를 지역적 활동 원리 (Local Activity Principle)와 홉 발진 현상 (Hopf Bifurcation Phenomenon)에 의거하여 설계하였다. 이 논문의 첫 번 째 부분은 저주파수 멤리스터 모델에 기반한 전자 진동기를 지역활성형 PTC 멤리스터 모델과 밧데리, 그리고 인덕터를 직렬연결하여 설계할 수 있음을 보였다. PTC 멤리스터 모델은DC V-I 곡선의 부저항 영역 상에 있는 지역 활성화 영역에 존재한다. DC 동작점 Q는 PTC 멤리스터 모델의 지역활성화 영역 내에서 선택하고, Q점에서의 소신호 등가회로는 테일러 시리즈 를 전개하여 유도한다. 또, Q 점에서의 상기 소신호 등가회로와 외부 인덕터를 직렬 연결할 때, 이에 대한 총 임피던스 값 에서의 저항 값 성분이 0되게하는 조건을 만족하는 인덕터 값을 외부 인덕터의 값으로 정한다. 이 회로에서의 진동 주파수는 임피던스의 허수 부분도 0가 되는 조건에서 결정된다.
본 논문의 두 번 째 부분에서는 따개비의 근육섬유에 대한 3 차원 Morris-Lecar 모델을 단순화하여 간단한 3 차 멤리스터 Morris-Lecar 모델을 설계하였다. 또, 3차 Moris-Lecar 모델을 대형 따개비의 근육섬유의 3 차원 멤리스티브 Morris-Lecar 를 사용함으로써 칼슘과 칼륨이온에 관련된 다양한 진동동작을 분석하였다. Original third-order Morris-Lecar 모델에서의 칼슘과 칼륨 이온들은 대형 따개비의 근육섬유에서의 신호전달 활동전위 (Action Potential)에 관련이 있고, 이 칼슘과 칼륨 이온들은 사실 전기회로적 관점에서 볼 때 칼슘 멤리스터 와 칼륨 멤리스터들 이다. 즉, 3 차 Morris-Lecar 모델의 칼슘이온과 칼륨이온들은 멤리스터의 특징을 모두 포함하고 있기 때문에 시변 칼슘이온과 칼륨이온들은 시불변 칼슘 멤리스터 과 칼륨 멤리스터 라고 할 수 있다. 따개비의 근육에서 생성되는 활동전위 (Action Potential)는 생체시스템에서의 신호전달이 주 응용분야이다. 이 연구에서 2 차 와 3차 멤리스터의 Morris-Lecar 모델에 있어서의 작은 고정 크기의 오실레이션의 존재는 두 개의 부임계 Hopf bifurcation 점들과 관련된 점진 안정화된 균형점(asymptotically stable equilibrium point) 의 흡인영역(basin of attraction) 을 계산함으로서 수치 해석적으로 확인하였다. 또, 3 차 멤리스터 Morris-Lecar 모델의 오실레이션 발생에 대한 완전한 분석을 소신호 분석과 부임계 Hopf bifurcation 현상을 통하여 수행하였다.
다국어 초록 (Multilingual Abstract)
Memristor is the fourth basic electrical circuit element in addition to the typical three fundamental electrical circuit elements namely, resistor, inductor, and capacitor which is essential for electronic circuit design and neuromorphic applications....
Memristor is the fourth basic electrical circuit element in addition to the typical three fundamental electrical circuit elements namely, resistor, inductor, and capacitor which is essential for electronic circuit design and neuromorphic applications. Memristor has the nonlinear relationship between magnetic flux and electric charge and it was first postulated by Prof. Leon Chua in 1971.
After the invention of memristors, four different classes of memristors namely, Ideal memristors, Ideal Generic memristors, Generic memristors and Extended memristors were introduced which are defined by the state-dependent Ohm’s law and the state equation and from the above four classes of memristors, another different class of memristors especially, Volatile and Non-volatile memristors were introduced which are determined by the state equation only. Hence, it is necessary to study and interpret the various classes of memristors and its characteristics. Several new concepts, including POP (Power-Off plot) and Dynamic Route Map (DRM) which helps to determine whether a memristor is volatile or non-volatile is explained in detail with examples.
In this thesis, we designed the two memristive-model based electronic oscillators via local activity principle and Hopf bifurcation phenomenon.
The first part of the thesis demonstrates the design of low-frequency memristive-model based electronic oscillator circuit by connecting an inductor in series with a locally-active PTC Memristor model and a battery. The PTC Memristor model used in this thesis represents the model of a physical device called Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistor.
The PTC Memristor model is locally active on the negative resistance region of its DC VM -IM curve. A DC operating point Q is chosen on the locally-active region of the PTC Memristor model and a small-signal equivalent circuit at Q is derived via Taylor series. The small-signal admittance YCM(s; V) of the composite one-port of locally-active first-order PTC memristor oscillator is derived using the small-signal equivalent circuit at Q, in series with an inductor whose value is chosen such that Z_CM(iw_0 ; V) = 0 at some s = iw_0 . The sinusoidal oscillation computed numerically from this circuit is shown to emerge from a super-critical Hopf bifurcation.
The second part of the thesis describes the design of a simple third-order memristive Morris-Lecar model of the original third-order Morris-Lecar model of a barnacle muscle fiber. We presented the detailed analysis of various oscillatory behaviors (Action Potential) observed in relation to the calcium and potassium ions in the original third-order Morris-Lecar model via third-order memristive Morris-Lecar model of giant barnacle muscle fiber.
It reveals that the calcium and potassium ions in the original third-order Morris-Lecar model, which are responsible for generating action potential (AP) in giant barnacle muscle fiber are in fact calcium and potassium memristors in the perspective of electrical circuit theory. Since, both the calcium and potassium ions in the original third-order Morris-Lecar model exhibit all of the characteristics of memristor fingerprints, we claim that the time-varying calcium and potassium ions in the original third-order Morris-Lecar model are actually time-invariant calcium and potassium memristors in the third-order memristive Morris-Lecar model. The main application of action potential generated in barnacle muscle fiber is used for signal transmission in biological systems.
We confirmed the existence of a small unstable limit cycle oscillation in both the second-order and the third-order memristive Morris-Lecar model by numerically calculating the basin of attraction of the asymptotically stable equilibrium point associated with two sub-critical Hopf bifurcation points. We also describe a comprehensive analysis of the generation of oscillations in third-order memristive Morris-Lecar model via small-signal circuit analysis and a sub-critical Hopf bifurcation phenomenon.
목차 (Table of Contents)