A Universal Framework for Configuring Fully Mem-Element-Based Bionic Spiking Circuits

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作者
Quan Xu,Chenyu Zhang,Huagan Wu,Mo Chen,Han Bao,Herbert Ho‐Ching Iu,Ning Wang
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-11
标识
DOI:10.1109/tcsi.2025.3623472
摘要

Designing a universal framework for configuring bionic spiking circuits is an attractive topic for spike-based applications. This paper comprehensively considers the electrophysiological properties of a biological neuron and electrical features of mem-elements, then presents a new universal framework for configuring fully mem-element-based bionic spiking circuits. The universal framework contains a current-controlled locally active memristor (LAM), a charge-controlled memcapacitor, and a flux-controlled meminductor to respectively characterize the electrophysiological properties of ion channels, liquid bilayer membrane, and electromagnetic induction of a biological membrane. The universal framework only involves the three mem-elements and a DC current stimulus. Afterward, a case of a mem-element emulator-based bionic spiking circuit is configured employing the universal framework. Numerical explorations and experimental measurements based on analog hardware circuits are performed to validate the effectiveness of the universal framework in generating abundant bifurcation behaviors and spiking activities. Actually, the universal framework is available for employing different mem-element emulators or physical mem-elements to construct bionic spiking circuits. The universal framework is extensible and sheds new light on the configuration of fully mem-element-based bionic spiking circuits.
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