Analog entegre devrelerde memristör modelleri ile gerilim ve akım dalgalanmalarına karşı koruma önlemleri ve devre benzetimleri / Hakan Karadeniz; thesis advisor Itır Köymen Meral.

Tez (Yüksek Lisans)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Eylül 2025

Günümüzde yüksek hızlı analog devrelerin elektromanyetik darbelere karşı korunması, entegre devrelerin kullanıldığı sistemleri ve ekipmanları uzun yıllar güvenilir ve sağlam tutma açısından kritik öneme sahiptir. Elektromanyetik darbelerin etkisi devrelerin dayanıklı olduğu akım ve gerilim üst sınırlarının geçilmesine sebep olabilir. Bu tez ile memristör aygıtlarının geçici gerilim darbelerine karşı devre koruma elemanı olarak kullanılması araştırılmıştır. Devrede memristörün direnç durumları arasında geçişlerini sağlayabilmek için aygıta besleme uygulanması ve bu besleme geriliminin tekrar ayıklanması için bias-tee devreleri kullanılması önerilmektedir. Bu devrelerin hesaplanması ve devrenin sinyal kaybı yaşamadan çalışması ise empedans uyumlama teknikleri ve maksimum güç aktarım teoremleri kullanılarak sağlanmıştır. LTspice ortamında kurgulanan benzetim çalışmasının çıktıları, MATLAB programı ile karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. LTspice ortamında analog ses ve video arayüz test işaretleri, anlık gerilim dalgalanması ve memristör aygıtları modellenmiştir. Simülasyon devrelerinin kurulması için arayüzler incelenmiş ve teknik gereksinimleri çıkarılmıştır. Tez çalışmasında planlanan tasarıma uygun olarak geleneksel çözümdeki TVS (Geçici gerilim Baskılama – Transient Voltage Suppression) ve AC kuplaj kapasitörü devrede kullanılmaya devam edilmiş ancak buna ek olarak Yakopcic çalışma grubuna ait memristör modeli arayüze seri bağlanmıştır. Bu sayede hibrit bir koruma devresi elde edilmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre, memristörlü yapı TVS ile çalışmış ve geleneksel çözüme göre daha hızlı tepki vermiştir. Arayüz devresine eklenen koruma önlemleri yardımı ile elektromanyetik dalgaların sebep olduğu süre boyunca anlık gerilim dalgalanmasının arayüze ulaşması engellenmiştir; bu sayede analog giriş ve çıkışların tahribatının önüne geçileceği tahmin edilmektedir. Bu tez çalışması ile yüksek hızlı analog giriş ve çıkış devrelerinde yerden ve bileşen sayısından tasarruf sağlayarak, entegre devre tasarımcıları için yeni bir anlık gerilim koruma devre topolojisi önermektedir. Bu seviyede bir koruma devresini memristör kullanmadan sağlamak için geleneksel çözüme ek devre elemanları eklenmeli ve kompleks devreler kurularak test edilmelidir. İki farklı tip devre arayüzü için koruma devresi çözümü önerilmiş ve benzetimi koşulmuştur ancak farklı arayüzler ile başarımı ve fiziksel olarak uygulanabilirliğini araştırmak için yeni çalışmalara ihtiyaç vardır. Memristörler terminalleri arasına uygulanan besleme gerilimine göre direnç durumunu değiştirebilmektedir. Bu araştırma, memristör aygıtının bu özelliğinin tasarlanacak devrede geçici dalga formlarına karşı devreyi koruma yeteneğine sahip bir devre oluşturmak için etkin bir şekilde kullanılıp kullanılamayacağını incelemektedir. Geçici rejimlere karşı tam koruma sağlamak amacıyla, ilk aşama olarak TVS diyotları kullanılmaktadır. Ayrıca, memristörün direnç durumlarını kontrollü bir şekilde değiştirmesini sağlamak için bir besleme devresi önerilmektedir.

In modern circuit design perspective, protection of high-speed analog circuit design, against electromagnetic transients is critically important for ensuring long-term reliability and robustness of systems and equipment that incorporate integrated circuits. Electromagnetic transients can introduce erroneous voltage and current levels that may exceed the tolerance limits of circuit components. This thesis investigates the use of memristor devices as circuit protection elements against transient voltage spikes. To facilitate state transitions between the memristor's resistance levels, a bias-tee network is proposed for both applying the necessary bias voltage and isolating the DC component from the signal path. The design of these bias-tee circuits was conducted using impedance matching techniques and the maximum power transfer theorem, to ensure signal integrity without the loss of signal quality. Simulations were implemented in the LTspice environment, and their results were analyzed and compared with MATLAB. In LTspice, test signals representing analog audio and analog video interfaces were modeled, along with transient voltage disturbances and memristor circuit behavior. To design the simulation circuits, interface characteristics and technical requirements were examined. In the proposed design, traditional components such as TVS (Transient Voltage Suppression) diodes and AC coupling capacitors were retained, and a memristor model - based on the Yakopcic research group's model - was connected in series to the interface. This hybrid design configuration enabled the development of a novel protection circuit topology. According to the simulation results, the memristor-based structure functioned in coordination with the TVS diode and exhibited a faster response compared to the conventional solution. The additional protective elements prevented transient voltage fluctuations caused by electromagnetic disturbances from reaching the interface during the exposure period, thus helping to mitigate potential damage to analog input and output nodes. This thesis proposes a new circuit topology for transient voltage protection in high-speed analog interfaces, enabling savings in both board space and component count. Implementing a comparable level of protection without using a memristor would require additional circuit elements and more complex electrical circuit design. Although simulation-based protection designs were proposed for two different interface types, further research is necessary to evaluate their performance and feasibility with other types of interfaces in physical implementations. Based on the voltage applied across their terminals, memristors can change their resistance states. This study investigates whether this property can be effectively leveraged in the design of a protection circuit capable of suppressing transient waveforms. For initial protection, TVS diodes are employed to clamp the voltage surges. Additionally, a dedicated biasing circuitry is proposed to control the resistance state transitions of the memristor passively and actively within the protection scheme.