Memristör tabanlı nonlineer sistem uygulamaları
Memristor based nonlinear system applications
Yazar: SEDA ARIK
Danışman: PROF. DR. RECAİ KILIÇ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Memristör, elektriksel yük ile manyetik akıyı ilişkilendiren iki uçlu devre elemanı olarak 1971'de Leon Chua tarafından önerilmiş ve fiziksel olarak ilk kez 2008 yılında HP Laboratuvarında üretilmiştir. Fiziksel olarak gerçekleştirilmiş olmasına rağmen ticari olarak üretilen bir memristör elemanı yoktur. Memristör karakteristik özellikleri sayesinde, literatürde bilgisayar mimarileri, nöromorfik sistemler ve dijital devreler gibi birçok memristör tabanlı tasarım uygulamalarında yer almıştır. Dikkat çeken uygulama alanlarından birisi de memristör tabanlı kaotik sistemler olmuştur. Nonlineer özelliğe sahip olması memristörün kaotik devrelerde kullanılabileceğini göstermiştir ve son zamanlarda farklı nonlineer denklemlere sahip memristör tabanlı kaotik devrelerin tasarımı oldukça dikkat çekmektedir. Memristörlerin ticari olarak üretimi henüz mümkün olmadığından, memristör tabanlı kaotik sistemlerin deneysel olarak test edilmesi ve doğrulanması genellikle ayrık elemanlarla gerçekleştirilen farklı emülatör (taklitçi) devreleri ile yapılmaktadır. Bu durum devre tasarımını oldukça karmaşık ve zor hale getirmektedir. Bu nedenle memristör tabanlı kaotik sistemleri en doğru şekilde ve az sayıda eleman kullanarak gerçekleştirmek önem arz etmektedir. Bu tez çalışmasında; memristör tabanlı kaotik sistemlerin literatürde mevcut olan donanım gerçekleştirimlerinin incelenmesi, nümerik benzetim programları aracılığıyla modellerin test edilmesi ve analog programlanabilir elemanlar kullanılarak alternatif gerçekleştirimlerinin ortaya konulması hedeflenmiştir. 
Bu kapsamda öncelikle memristörler ile ilgili literatürde yer alan tanım, tarihçe, genel uygulama alanları ve emülator devreleri hakkında bilgiler verilmiştir. Daha sonra memristör tabanlı kaotik sistemler ve bu sistemlerle ilgili literatürde yer alan donanım çalışmaları incelenmiştir. Memristör tabanlı kaotik sistemlerin deneysel olarak test edilmesi ve doğrulanması için literatürdeki çalışmalara bir alternatif olması açısından yeniden yapılandırılabilir donanım platformu olarak Alan Programlanabilir Analog Dizi (Field Programmable Analog Array, FPAA) tanıtılmıştır. Bu amaçla üç adet memristör tabanlı kaotik sistem bu platform üzerinde yapılandırılmış ve deneysel olarak davranışları doğrulanmıştır. Bu platformun kullanılmasıyla farklı emülatör devrelerine ihtiyaç duyulmadan programlanabilirlik ve yeniden yapılandırılabilirlik özelliklerinden faydalanılarak farklı nonlineer fonksiyonlarla karakterize edilen memristör tabanlı kaotik sistemlerin tek bir donanım üzerinde gerçekleştirilmesi mümkün hale getirilmiştir.

Abstract:
Memristor as two terminal circuit element relating electrical charge and magnetic flux was proposed in 1971 by Leon Chua and was produced physically for the first time in HP Labs in 2008. Although it is physically implemented, there is no memristor element produced commercially. Due to the characteristics of memristor, many memristor based designs such as computer architecture, neuromorphic systems and digital circuits are available in the literature. One of these applications is also memristor based chaotic system. Because of the nonlinear feature of a memristor, it can be used in chaotic system designs and recently the designs of memristor based chaotic circuits which have different nonlinearities have attracted more attention. Since the commercial productions of memristors are not available yet, the experimental testing and verifying of memristor based chaotic systems are performed by emulator circuits generally composed of discrete components. This situation makes the circuit design quite complex and difficult. For this reason, it is important to implement the memristor based chaotic systems in a correct way by using fewer components. In this thesis, it is aimed to examine the available hardware implementations of the memristor based chaotic systems in the literature, to test the systems via numerical simulation programs and to present alternative implementations of the systems by using an analog programmable device.
In this context, firstly the detailed informations available in the literature about the memristor element such as the definition, the historical background, the general field of applications and the emulator circuits were given. Then, memristor based chaotic systems and their hardware implementations in the literature were examined. Field Programmable Analog Array (FPAA) as a reconfigurable hardware platform in terms of being an alternative to the studies in the literature is introduced for experimental testing and verifying of memristor based chaotic systems. For this purpose, three memristor based chaotic systems were constructed on this platform and their behaviors were verified experimentally. By using this platform, it is possible to implement several memristor based chaotic systems characterized with different nonlinear functions on a unique hardware in a reconfigurable and programmable manner without the need for different emulators.