忆阻教学
!!忆阻器的发展与应用ppt课件
忆阻器元件的应用
电路器件设计
忆阻器以其独特的记忆性能和电路特性，在电路 器件设计方面给人们提供了新的思路。如依赖其记 忆性能的高密度非易失性存储器，基于忆阻器电学 性能的参考接收机、调幅器。
在忆阻器和忆阻系统的概念提出之前多种系统已被观察到存在忆阻行为如阈值开关电热调节器神经突触的离子传递系统放电管等基础电路设计忆阻器的出现不仅丰富了现有的电路元件类而且补充了目前的rcrllcrlc电路设计方案将其扩展到所有可能由电路的四个基本元件与电压源组成的电路范围
2010年12月29号
忆阻器的发展与应用
学报，2003.5，第5卷第3期 பைடு நூலகம் [5] CHUA L O. Memristor - the missing circuit
element [J]. IEEE Trans Circuit Theory, 1971, 18(5): 507-519 [6] Andy Yang,忆阻器,瘾科学,2010.3
Contents
1
概念产生与发展
2
忆阻器元件的实现
3
忆阻器的应用前景
4
总结
概念产生与发展
什么是忆阻器？
忆阻器（Memristor）的概念由加州大学 伯克利分校的蔡少棠（Chua）在1971年 提出。忆阻器是一类具有电阻记忆行为 的非线性电路元件，被认为是除电阻、 电容、电感外的第四个基本电路元件。
概念产生与发展
忆阻器的定义
由电路理论可知，三个传统的二端口电 路元件电阻（R）、电容（C）、电感 （L）建立了四个电路变量电压（V）、 电流（I）、磁通量（φ）和电荷量（Q） 间的联系。上述四个电路变量两两之间 可以建立六个数学关系式，其中五对关 系式已经为大家所熟知——分别来自R、 C、L、Q 的定义和法拉第电磁感应定律 （如图1所示），但φ、Q 间的关系却一 直没被揭示。
忆阻器 课程思政
忆阻器课程思政相结合，可以从多个方面进行探讨。
以下是一些建议：一、忆阻器技术概述忆阻器（Memristor）是一种具有记忆功能的电子元件，其电阻值可以根据通过的电流或电压变化而变化，并能够在断电后保持这些变化。
忆阻器的研究和应用对于推动信息技术的发展具有重要意义。
二、课程思政的内涵与要求课程思政是指将思想政治教育融入各类课程中，实现知识与价值、能力与素质、教学与育人的有机结合。
在教授忆阻器相关课程时，应充分挖掘课程中的思政元素，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。
三、将忆阻器与课程思政相结合的方法1.强调国家发展战略：介绍忆阻器在国家科技创新和产业发展中的重要地位，引导学生认识到学习忆阻器技术对于服务国家战略的重要性。
2.挖掘科学家精神：介绍忆阻器领域的杰出科学家及其研究成果，引导学生学习他们的科学精神、创新精神和奉献精神。
3.弘扬工匠精神：通过案例分析，让学生了解忆阻器研发过程中的精益求精、追求卓越的工匠精神，培养学生的职业素养和责任感。
4.强调团队协作与沟通：在忆阻器相关项目中，注重培养学生的团队协作能力和沟通能力，让他们认识到在科研和工作中团队协作的重要性。
四、实践与应用1.结合课程实验：设计具有思政元素的忆阻器实验项目，让学生在实践中体验科学家精神和工匠精神。
2.开展科技创新活动：鼓励学生参与忆阻器相关的科技创新项目，培养他们的创新能力和实践能力。
3.服务社会与产业：引导学生将所学知识应用于实际生产和社会服务中，推动忆阻器技术的产业化发展。
通过以上方法，可以将忆阻器与课程思政相结合，使学生在学习忆阻器技术的同时，受到良好的思想政治教育。
这不仅有助于培养学生的专业素养和综合能力，还有助于推动忆阻器技术的创新与发展。
电子领域新进展-忆阻电路
“电子领域新进展——忆阻电路导论”之体会3月3日上午9:50在逸夫馆聆听了这次由包伯成教授主讲的这次主题学术讲座。
包伯成教授在本次的学术讲座中介绍了一般混沌动力学系统、开关DC-DC 变换器、忆阻器与忆阻电路等的基本概念和相关背景。
另外，包教授简单地回顾了从事忆阻器与忆阻电路研究方面的工作历程和研究成果，重点阐述了在研课题与项目，并与师生们就感兴趣的学术问题作了深入的探讨和交流。
忆阻器，全称记忆电阻，被认为是除了电阻、电感、电容以外的第四种基本电路元件，顾名思义是一种具有记忆功能的非线性电阻。
1971年，忆阻器理论的奠基人美国加州大学蔡绍棠教授发表论文并提出忆阻器的概念。
2008年，惠普实验室研究团队发现了一种纳米双端电阻开关水平条阵列后，发表文章声明发现忆阻器。
忆阻器是一种无源器件，独特的记忆特性使其能够以非易失方式记忆流经电荷的总量。
目前，中国的忆阻器研究仍处于“自由探索”阶段，力量分散且主要集中与理论层面与计算机仿真。
对于忆阻器的应用前景，最的简单的应用就是是替代闪存，作为非易失性阻抗存储器（RRAM）。
下一代存储技术都须满足非易失性（断电后保存数据）、随机存取、低功耗、高速、高可靠性、高容量和高集成度等特征。
忆阻器作为新型电子存储器，同时满足上述条件，是下一代存储器的强有力竞争者。
忆阻器还与当前CMOS制造工艺兼容，这意味着具备更低的改造成本。
忆阻器还能让电脑理解以往搜集数据的方式，让计算机在找出自己保存数据时更加智能。
此外忆阻器的记忆功能将令其在云计算应用中发挥重要作用。
通过本次学术讲座的观看，我第一次认识了忆阻器，并且感受到了其技术的发展将对未来各领域产生极大的积极性地影响。
并且，因为忆阻器应用的发展涉及到大量的学科交叉，因此，希望日后国内的这方面的科研工作者能够在这一领域上有新的发展与突破。
科研反哺教学实践路径探索——以电路分析课程为例
科研反哺教学实践路径探索——以电路分析课程为例发布时间：2021-12-06T06:29:30.016Z 来源：《教学与研究》2021年第20期作者：陈蓓张希武花干徐权[导读] 电路分析课程是电子信息类专业学生的必修基础课程陈蓓张希武花干徐权常州大学微电子与控制工程学院江苏省常州市武进区滆湖中路21号【摘要】电路分析课程是电子信息类专业学生的必修基础课程，对电子信息类专业学生的知识体系的构建与核心竞争力的培养具有至关重要的作用。
课程内容围绕电路分析方法，全面介绍电路分析的基本概念、基本原理和基本方法，其中基本概念的牢固掌握，是学习好电路分析课程的基石。
针对电路分析课程中的基本电路元件这一知识点，结合当今科学研究热点，拓展电路元件基本概念的教学内容，对科研反哺教学的实践路径进行探索。
通过将科研与教学相融合，优化教学内容，培养学生创新能力，有效提升电路分析课程的教学质量，为该门课的教学改革模式提供有价值的参考。
1.引言电路分析课程是电子信息类专业的专业基础课程，课程内容围绕电路分析方法，全面介绍电路分析的基本概念、基本原理和基本方法。
主要内容包括电路的基本概念和定律、电阻电路的分析方法、线性电路叠加与等效变换、正弦稳态电路分析、三相电路、频率响应与谐振电路、耦合电感、理想变压器及双口网络、动态电路的时域分析。
其中，电路的基本概念作为电路分析课程的第一章内容，是后续课程学习的基础。
电阻、电容、电感三大电路基础元件是传统电路分析基本概念章节的核心知识。
随着科学研究的深入，《Nature》杂志于2008年报道了惠普公司对TiO2薄膜的电学特性的研究[1]，发现了一种新的电路元件，命名为忆阻，被称为第四种电路元件，这一概念拓展了基础电路元件的范围，为基础电路元件的应用，提供了更多的可能。
本文以电路分析课程中的基础电路元件为例，探讨一种科研反哺教学的实践路径，通过科研与教学融合，提高课程的教学质量，培养学生们的创新精神，为该门课程的教学改革模式提供参考。
忆阻器的发展与应用
未来研究方向和前景展望
新型材料与技术
探索新型材料和技术，提高忆 阻器的性能、稳定性和可靠性
，降低成本。
神经形态计算
利用忆阻器模拟神经元和突触的 功能，构建神经形态计算系统， 实现更高效、智能的计算。
物联网与边缘计算
将忆阻器应用于物联网和边缘计 算领域，实现数据的就近存储和 处理，提高响应速度和能效比。
化学气相沉积
通过化学反应在基底上生 成忆阻材料薄膜。
微纳加工技术
光刻技术
利用光刻胶和光刻机对忆 阻材料进行微细加工。
刻蚀技术
采用干法刻蚀或湿法刻蚀 技术，对忆阻材料进行高 精度刻蚀。
纳米压印技术
利用纳米压印模板在忆阻 材料上压印出纳米级图案。
性能测试与表征方法
电学性能测试
测试忆阻器的电阻、电容、电感等电 学性能。
应用
MRAM具有非易失性、高速、低功耗等优点， 被广泛应用于嵌入式系统、移动设备、航空航 天等领域。同时，MRAM还有望成为未来神经 形态计算和量子计算的重要硬件基础。
各类存储器性能比较
01
02
03
04
速度
RRAM和PCRAM的读写速度 较快，而MRAM的读写速度
相对较慢。
功耗
RRAM和PCRAM的功耗较低 ，而MRAM的功耗相对较高
神经形态计算挑战
神经形态计算在硬件实现、算法设计 、系统集成等方面面临诸多挑战，如 神经元和突触的复杂动态特性、硬件 资源的有限性等。
基于忆阻器的突触仿生器件
忆阻器作为突触仿生器件
忆阻器具有非易失性、连续可调电阻等特性，可模拟生物突触的权重调节和信息传递功 能。
突触仿生器件应用
基于忆阻器的突触仿生器件在图像识别、语音识别、自然语言处理等任务中展现出良好 性能。
《忆菊》闻一多 教学方案设计
《忆菊》闻一多教学方案设计《＜忆菊>闻一多教学方案设计》一、教学目标1、引导学生理解闻一多《忆菊》的诗歌内涵和艺术特色。
2、培养学生对现代诗歌的欣赏能力和审美情趣。
3、提高学生的诗歌朗诵技巧，感受诗歌的韵律美。
4、激发学生对祖国和传统文化的热爱之情。
二、教学重难点1、重点（1）理解诗歌中所描绘的菊花形象及其象征意义。
（2）分析诗歌的语言特色和表现手法。
2、难点（1）体会诗人在诗歌中所表达的复杂情感。
（2）引导学生深入思考诗歌与时代背景的关系。
三、教学方法1、讲授法讲解诗歌的创作背景、作者生平和诗歌的基本知识，帮助学生理解诗歌的内涵。
2、诵读法通过反复诵读，让学生感受诗歌的韵律和节奏，体会诗歌的情感。
3、讨论法组织学生讨论诗歌中的意象、象征意义和情感表达，培养学生的思维能力和合作精神。
4、赏析法引导学生赏析诗歌的语言、结构和艺术手法，提高学生的诗歌鉴赏能力。
四、教学过程1、导入新课（1）展示一些菊花的图片或视频，引导学生观察菊花的形态和色彩，提问学生对菊花的印象和感受。
（2）简单介绍菊花在中国文化中的象征意义，如高洁、隐逸、思念等，为理解诗歌中的菊花形象做铺垫。
2、作者及背景介绍（1）介绍闻一多的生平经历、文学成就和他在新诗发展中的地位。
（2）讲解《忆菊》的创作背景，让学生了解诗人所处的时代环境和他的爱国情怀。
3、朗读诗歌（1）教师范读，要求学生注意字音、节奏和情感的把握。
（2）学生自由朗读，初步感受诗歌的内容和韵律。
（3）指名学生朗读，其他学生进行评价和纠正。
4、诗歌赏析（1）整体感知引导学生概括诗歌的主要内容，思考诗人是如何忆菊的。
（2）意象分析①提问学生诗歌中描写了哪些菊花的意象，如“黄花”“黑菊”“金底黄”“白菊”等。
②探讨这些菊花意象的特点和象征意义，如“黄花”象征着祖国的灿烂文化，“黑菊”可能暗示着祖国遭受的苦难等。
（3）语言特色①分析诗歌的语言风格，如华丽的词汇、丰富的色彩描写等。
忆阻器测试方法
忆阻器测试方法
忆阻器（Memristor）是一种具有记忆功能的电阻器，其电阻
值可以根据电流和电压的历史变化来改变。
在测试忆阻器时，可以采用以下方法：
1. 电阻测试：将忆阻器连接到一个直流电源和一个电流表上，通过在不同电压下测量电流来计算忆阻器的电阻值。
可以通过改变电压的方向和大小来测试不同极性和不同电压条件下的电阻值。
2. 脉冲测试：使用一个脉冲电源来周期性地改变忆阻器的电压，并测量在每个脉冲之后的电流响应。
通过分析电流响应曲线，可以推断和评估忆阻器的电阻变化和记忆效应。
3. 循环测试：通过以不同的速率和幅度来改变电压，周期性地在忆阻器上施加电压信号，然后测量电流响应。
通过观察电流响应的变化情况，可以评估忆阻器的循环寿命、稳定性和可靠性。
4. 模拟信号测试：通过在忆阻器上施加不同幅度和频率的模拟信号，并测量电流响应来评估和分析忆阻器在模拟信号处理方面的性能。
这些测试方法可以帮助检测和评估忆阻器的基本电性能、循环寿命、稳定性和可靠性等特性，对于忆阻器的研究和应用具有重要意义。
忆阻器原理
忆阻器原理
忆阻器是一种电子器件，它的原理基于磁性材料的磁滞特性。
它可以被理解为一种存储能量的元件，类似于电容器和电感器。
忆阻器的工作原理可以通过磁滞环来解释。
磁滞环是由磁性材料构成的环形结构，其呈现出一种特殊的磁滞回线。
当施加一个外部磁场时，磁性材料会沿着这条磁滞回线进行磁化，存储磁能。
当外部磁场被去除时，磁滞环上的磁场不会立即消失，而是会维持在一个残余磁场的水平上。
这使得忆阻器能够“记住”先前的磁场历史。
换句话说，残余磁场的大小取决于之前施加的磁场的强度和方向。
通过改变忆阻器中磁性材料的电阻，可以控制残余磁场的大小。
当电阻增加时，残余磁场的变化会减缓，这意味着磁滞环能够更好地“记住”先前的磁场历史。
而当电阻减小时，残余磁场的变化更快，磁滞环的“记忆”效果减弱。
忆阻器在电子器件中具有广泛的应用。
例如，在存储器技术中，忆阻器可以用作非易失性存储器，因为它能够保持先前的存储状态。
此外，忆阻器还可以用于神经元模拟器和人工智能领域，用于模拟和实现脑部神经元之间的突触连接效应。
总之，忆阻器的工作原理基于磁性材料的磁滞特性，能够存储先前的磁场历史，并具有多种应用的潜力。
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浅谈忆阻器The Introduction of the MemristorABSTRACT: The Memristor is considered the fourth basic circuit elements in addition to the resistance, capacitance, inductance, and the memristor has been in the media spotlight and it is expected to have a major impact on the future technology. Many scientists think that it should be taught in EE undergraduate courses, but there is no general agreement on how to do so. This paper first introduces the concept of memristor element, the basic model and its mathematic representation, and then describes the current research status. At last, the paper presents several approaches to memristor and a thorough discussion about them, and it is the result of numerous discussions with experts in this area.KEY WORDS: memristor; memristor system; mathematical model; approaches to memristor摘要：忆阻器被认为是除电阻、电容、电感外的第四个基本电路元件，它已经引起了人们的广泛的关注，并预期对未来的技术有重大的影响。
许多科学家认为，应该在电气工程本科的课程中教忆阻器，但没达成一致的意见怎么来教。
本文首先介绍了忆阻元件的概念、基本模型及其数学表达方法，然后介绍了目前国内外的研究现状。
最后介绍了几种教忆阻器的方法并对它们进行了彻底的讨论，这是这方面的专家多次讨论的结果。
关键词：忆阻器；忆阻系统；数学模型；教忆阻器的方法1引言忆阻器(Memristor)的概念由Chua在1971年提出，得名于其电阻对所通过电量的依赖性，被认为是电阻、电容和电感之外的第四个基本电路元件[1]。
对电阻的时间记忆特性使其在模型分析、基础电路设计、电路器件设计和对生物记忆行为的仿真等众多领域具有广阔的应用前景。
由于缺乏实验的支撑，在被提出后的二十几年间，相关理论虽有发展却并有引起足够的关注。
近来Strukov等[2,3]成功制作了具有忆阻性能的器件结构后，忆阻器开始引起更多学者的研究兴趣，并逐渐成为电路、材料、生物等领域的研究热点。
2基本概念由电路理论可知，三个传统的二端口电路元件电阻(R)、电容(C)、电感(L)建立了四个电路变量电压(u)、电流(i)、磁通量(ψ)和电量(q)间的联系。
上述四个电路变量两两之间可以建立六个数学关系式，其中五对关系式已经为大家所熟知—分别来自R、C、L、q的定义和法拉第电磁感应定律(如图1四个基本二端口电路元件示意图图l所示)，但ψ、q间的关系却一直没被揭示。
Chua从电路变量关系完整性角度,定义了增量忆阻()M q来描述ψ、q间的这一关系：=ψ(1)()/M q d dq满足公式(1)所定义关系的电路元件被称为忆阻器。
d q c d u =∙ 图1 四个基本二端口电路元件示意图Fig.1 Schematic diagram of two-terminal fundamental circuit elements同时，由,d u dt dq i dt ψ=∙=∙可得：()/M q u i =（2） 因此，增量忆阻具有与电阻相同的量纲。
由公式(1)可知，忆阻器在某一时刻t 0的忆阻阻值决定于通过它的电流从t=-∞到t=t 0的时间积分，从而呈现出电阻的时间记忆特性。
当电流或电压为稳恒值时，忆阻器呈现线性时变电阻的特性；当q ψ-关系曲线为直线时，相应地，()M q R =，忆阻器呈线性非时变电阻。
因此，在线性网络理论中便没有必要引入忆阻器。
Chua 通过电路设计对实现电阻记忆功能的设想进行了阐明，利用MR 、MC 、ML 三类变类器分别实现了u i -曲线与q ψ-曲线间的转换并通过波形记录器加以证实。
同时，他还指出了理想忆阻器具有的电路特性，如无源判据，闭合电路法则，存在和唯一性法则，稳态行为法则，电路复杂度判据。
i图2 典型的忆阻系统电流-电压特性曲线Fig.2 Typical current-voltage characteristics memristive system此后，Chua 等[4]将忆阻器的概念扩展到不局限于q ψ-关系的忆阻系统，其定义满足式：(,(),)x f x u t t ∙= ()(,(),)()y t g x u t t u t =∙ （3） 其中()u t 、()y t 分别为系统的输入信号和输出信号，x 为系统的n 阶状态参量，t 为时间，()f ∙为满足映射：R n ×R ×R→R t 的连续n 维矢量函数，()g ∙为满足映射：R n ×R ×R→R 的连续标量函数，且()f ∙、()g ∙均与具体系统相关。
直观地，当输入信号()u t 为0时，输出信号()y t 也将为0，这种经过坐标原点的图形，在系统输入、输出信号间的李萨茹图形关系中得到自证(如图2所示)。
此外，图2还给出了忆阻系统u i -曲线对不同外加激励频率的响应结果。
当输入、输出信号各为系统的电流和电压时，由(3)式可得到电流-电压控制的单端口忆阻系统:(,(),)x f x i t t ∙= ()(,(),)()u t R x i t t i t =∙ （4） 特别地，当系统非时变且电阻不是电流的显函数时(4)式可化为：()x f x ∙= ()()u t R x i =∙ （5） 此时，若状态变量唯一且是系统电量，则(5)式将表达与(2)式相同的系统，即理想忆阻器。
由此，可见忆阻器是忆阻系统在某些限制条件下的特例。
与忆阻器相比忆阻系统的概念扩展了系统的研究范围，使人们将对记忆效应的研究关注点从q ψ-关系转移到了更广阔的空间。
最近Ventra 等[5]将符合(3)式的系统重新定义为记忆系统，并根据()u t 、()y t 的不同，将记忆系统分为：忆阻(Memristive)系统、忆容(Memcapacitative)系统、忆感(Meminductive)系统，并分别研究了它们的电路特性、能量特性和频率特性，其中各系统的对应的()u t 、()y t 含义见表1。
三类记忆系统在电路中的应用仍不完善，是值得继续研究的领域。
表1 记忆系统的分类Tab.1 Classification of memory system系统 忆阻系统 忆容系统 忆感系统输入信号u(t) i(t) v c (t) i(t)输出信号y(t) v(t) q(t) φ(t)由上述内容可知, 忆阻器的定义来源于其q ψ-关系，但当其扩展为忆阻系统后，忆阻性的体现便依赖于系统包含q 在内的一系列状态变量x 。
相对于q ψ-关系，忆阻器和忆阻系统呈现出的非线性u i -关系更加普适，且便于测量。
3 忆阻元件的研究进展3.1 忆阻元件的模型及其数学表示蔡先生给出的忆阻元件的数学模型见公式(1)(2)。
惠普实验室给出的忆阻元件的基本模型如图3所示。
其中，D 为忆阻器的长度，w 表示元件的参杂宽度。
总电阻R 的阻值为掺杂部分电阻on R 与非掺杂部分电阻off R 的阻值之和。
掺杂部分的电阻率小于未掺杂部分的电阻率，所以，off on R R >。
掺杂宽度w 随外电场改变，当0u >时，有向右的电流通过元件内部，w 增大，R 变小；当0u <时，有向左的电流通过元件内部，w 减小，R 变大。
uR off (1-w/D)R on w/DR offR on图3 忆阻元件的基本模型Fig.3 The basic model of the memristor element 据此，惠普实验室给出的流控型忆阻元件的数学模型如下：()[()/(1()/]()on off u t R w t D R w t D i t =+- （6） ()/(/)()on dw t dt R D i t νμ= （7） 其中，νμ是表示离子在均匀场中移动情况的常数。
显然，只有()(0,)w t D ∈时式(7)才有意义，因此这一模型的应用具有局限性。
3.2 国内研究现状2008年，北京邮电大学开始对忆阻元件进行研究, 目前已取得了一定的研究成果[6]。
考虑到式(7)在()(0,)w t D ∈条件下才成立，当超出这个范围时，例如，某时刻()0w t =或()w t D =，则此时的忆阻元件等效为一个无记忆的线性电阻元件，电阻不受电流控制。
由此研究了元件的积分形式的数学模型。
我们将()(0,)w t D ∈称为边界条件。
考虑初始条件，设初始状态不为0，即0()|0t w t =≠，则在不考虑边界条件下得到忆阻元件的积分模型为：201()()()22toff off v on v on v R DR u t dt w t w t R R μμμ⎡⎤=-++⎢⎥⎣⎦⎰221(0)(0)(0)22off off on v v on v R DR w w w R R μμμ⎡⎤--⎢⎥⎣⎦(8) 当有边界时，w 的取值范围是0到D 。
对式(8)进行修正得到有边界条件时忆阻的数学模型为：(),(0,)()()/,0()/,off on t w D i t u t R w u t R w D ⎧∈⎪⎪⎪=⎨⎪=⎪⎪=⎩ (9)应用以上模型对忆阻元件的特性进行研究，通过仿真讨论了激励电压频率f 、掺杂电阻比/rate off on R R R =和初始掺杂宽度0w 对元件的相对掺杂宽度/w D 、电流i 、电压电流关系、电荷磁链关系的影响，并对仿真结果进行了分析研究，得出了一些相关的结论。
国内一些大学也对忆阻元件进行了研究，他们根据L.O.Chua 和M.Itoh 提出的忆阻元件q ψ-关系的二分段线性化近似[7]，进一步提出了q ψ-的多段分段线性化近似模型和u i -的分段线性化近似模型[8,9]。