一种基于MOS场效应晶体管的模拟脉冲神经元的硬件电路及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于MOS场效应晶体管的模拟脉冲神经元的硬件电路，包括由8个MOS管和2个模拟膜电容构成的硬件电路，其中，第五MOS管的g极、d极与第六MOS管的g极、d极对应连接；第七MOS管的g极、d极与第八MOS管的g极、d极对应连接；第一MOS管的d极与第二MOS管的s极连接，第一MOS管、第二MOS管、第四MOS管的g极和第二模拟膜电容的第二端b端连接，第二MOS管、第三MOS管的d极以及第一模拟膜电容、第二模拟膜电容的第一端a端连接；第一模拟膜电容的第二端b端以及第四MOS管、第六MOS管、第八MOS管的s极接地。这种硬件电路能模拟神经元的功能、具有结构简单、集成度高、功耗小、便于维护的特点。该模拟脉冲神经元的硬件电路可应用在模拟神经网络中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MOS场效应晶体管的模拟脉冲神经元的硬件电路及其应用
本专利技术涉及人工智能技术，具体是一种基于MOS场效应晶体管的模拟脉冲神经元的硬件电路及其应用。
技术介绍
人工智能已经成为了当今世界最受关注以及发展最快的
之一，它的一个最主要特征就是实现电子设备或系统的智能化以提高信息处理和存储的效率。神经科学的快速发展为人工智能领域提供了新的发展方向，研究者提出通过模拟生物神经元以脉冲信号来进行信息传输和计算的信息处理方式，来提高计算和存储的效率，并因此提出了模拟大脑神经网络的脉冲神经网络模型。目前脉冲神经网络的运算方法在许多领域已经得到应用，例如模式识别、图像处理和预测估计等等。要将神经网络运算方法运用到现代的电子设备或集成电路系统中，最关键的是构建出结构简单、功耗低、集成度高且运算速度快的神经元电路模型。目前已有许多研究者提出了不同的神经元电路模型，但是仍然存在电路结构复杂、集成度低、功耗较大、不便于维护等问题。因此，当前这一领域的研究重点就是，寻找到一种合适的器件来构造出结构简单、集成度高、功耗较低、制造成本低的神经元电路，并以此为基础来构建更加高级的神经网络结构，从而实现神经网络的运算。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于MOS场效应晶体管的模拟脉冲神经元的硬件电路及其应用。这种硬件电路能模拟神经元的功能，该神经元电路不仅能模拟神经元对输入刺激信号的积累和响应、能模拟神经元兴奋时突触后神经元对突触前神经元的逆向反馈抑制作用，而且具有结构简单、集成度高、功耗小、便于维护的特点，基于该神经元电路而构建的脉冲神经网络结构，可以实现神经元之间的脉冲传递。实现本专利技术目的的技术方案是：一种基于MOS场效应晶体管的模拟脉冲神经元的硬件电路,与现有技术不同的是，包括反馈控制器第一MOS管、输入信号控制器第二MOS管、构成漏电电路的第三MOS管与第四MOS管、构成第一反相器的第五MOS管与第六MOS管、构成第二反相器的第七MOS管与第八MOS管、第一模拟膜电容和第二模拟膜电容，上述MOS管均有三个电极，分别为源极即s极、栅极即g极和漏极即d极，所述漏电电路中第三MOS管的s极与第四MOS管的d极连接，第三MOS管的d极、g极以及第四MOS管的g极、s极均作为与其他功能电路或外部输入源的连接端口；第一反相器中第五MOS管的g极、d极分别与第六MOS管的g极、d极对应连接，第五MOS管、第六MOS管的g极连接端作为第一反相器的输入端；而第五MOS管、第六MOS管的d极连接端作为第一反相器的输出端，剩余的第五MOS管的s极、第六MOS管的s极作为与外部输入源的连接端；第二反相器中第七MOS管的g极、d极分别与第八MOS管的g极、d极对应连接，第七MOS管、第八MOS管的g极连接端作为第二反相器的输入端；而第七MOS管、第八MOS管的d极连接端作为第二反相器的输出端，剩余的第七MOS管的s极、第八MOS管的s极作为与外部输入源的连接端，第二反相器的输出端为整个电路的输出端即Vout端，所述反馈控制器第一MOS管的d极与输入信号控制器第二MOS管的s极连接到输入节点端即输入信号源Vin端，反馈控制器第一MOS管、输入信号控制器第二MOS管、第四MOS管的g极和第二模拟膜电容的第二端b端均与第二反相器的输出端相连接，输入信号控制器第二MOS管、第三MOS管的d极以及第一模拟膜电容、第二模拟膜电容的第一端a端与第一反相器的输入端相连接；第一反相器的输出端与第二反相器的输入端相连接；第一模拟膜电容的第二端b端以及第四MOS管、第六MOS管、第八MOS管的s极都接地；上述硬件电路与模拟脉冲神经元功能外部输入源信号的对应关系为：输入信号源即Vin接入输入信号源Vin端；模拟反馈抑制电压即Vdep接入反馈控制器第一MOS管的s极；模拟放电速率控制电压即Vreset接入第三MOS管的g极；反相器源电压即Vdd分别接入第一反相器M1中第五MOS管的s极以及第二反相器中第七MOS管的s极，在上述神经元硬件电路的基础上结合相应的输入信号即可实现脉冲神经元功能的模拟。所述的MOS管为BSIM3V3.22晶体管，该MOS管具有较高的集成工艺且稳定性强。所述第一模拟膜电容和第二模拟膜电容的取值为12pf-20pf，第一模拟膜电容和第二模拟膜电容在电路中起着积累突触前神经元产生的刺激信号的作用，其中，第二模拟膜电容同时起着隔离电容的作用，可以防止输入的信号直接流入到输出端。所述第一反相器和第二反相器的阈值电压为2V。所述模拟脉冲神经元的硬件电路在模拟神经元网络中的应用。上述模拟神经元硬件电路与脉冲神经元具有如下的对应关系：所述电路的输入Vin对应模拟实际脉冲神经元的输入，输入的信号可以是直流、交流信号，也可以是具有一定幅值和宽度的脉冲信号；当突触后神经元受突触前神经元产生的刺激信号触发而产生兴奋时，突触后神经元会产生一个较微弱的反馈抑制电压通过突触输入到突触前神经元，从而削弱刺激信号以使自己逐渐恢复到平息状态，这种反馈抑制过程由所述电路模型中的反馈控制器第一MOS管以及反馈抑制电压Vdep来模拟--当神经元产生兴奋时反馈控制器第一MOS管导通，Vdep通过反馈控制器第一MOS管输入到输入节点对输入信号Vin产生抑制作用；当神经元产生兴奋时，会产生相应的动作脉冲信号，在所述电路模型中表现为输出端Vout产生脉冲信号，此时输入信号控制器第二MOS管截止，神经元不受输入信号的影响，这一过程模拟了神经元的“不应期”；神经元因兴奋而产生脉冲信号的动作在所述电路模型中，是通过第一反相器、第二反相器实现的：即当第一模拟膜电容、第二模拟膜电容所积累的电压超过第一反相器的阈值电压时，第一反相器发生翻转而在输出端产生一个幅值为Vdd的高电平信号输入到第二反相器输入端，使得第二反相器发生翻转而在输出端Vout产生一个幅值为Vdd的高电平脉冲信号，这一过程即模拟了实际生物神经元脉冲发放的过程，当神经元产生兴奋后会逐渐恢复到平息状态，这一过程在上述电路模型中表现为电容放电的过程；当神经元产生兴奋而在输出端Vout输出脉冲信号时，第四MOS管导通；将放电速率控制电压Vreset设置为大于第三MOS管的导通电压，因此第三MOS管总是处于导通状态，此时，电容第一模拟膜电容、第二模拟膜电容通过第三MOS管、第四MOS管组成的放电通路放电，神经元逐渐恢复到平息状态，以上的过程即实现了对生物脉冲神经元功能的整体模拟。所述神经元电路的数学含义可以根据如下公式进行表达：其中v表示神经元膜电位，Rmem表示膜电阻，Isyni表示第i个与神经元输入端相连接的突触所输入的电流，τmem表示膜时间常数。基于上述神经元硬件电路的基础，结合现有技术对神经突触单元的技术应用即可模拟脉冲神经网络，所模拟的脉冲神经网络具有n个输入脉冲神经元(N1-Nn)以及n个输入脉冲神经元所对应的n个输入信号(输入1-输入n)，n个突触单元(S1-Sn)以及一个输出神经元Nout，该脉冲神经网络中每个输入神经元分别对应一个输入信号即输入1-输入n，输入的信号可以是直流、交流信号，也可以是具有一定幅值和宽度的脉冲信号；每个输入神经元的输出端对应顺序连接到相应突触单元的输入端即S1-S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MOS场效应晶体管的模拟脉冲神经元的硬件电路,其特征是，包括反馈控制器第一MOS管、输入信号控制器第二MOS管、构成漏电电路的第三MOS管与第四MOS管、构成第一反相器的第五MOS管与第六MOS管、构成第二反相器的第七MOS管与第八MOS管、第一模拟膜电容和第二模拟膜电容，上述MOS管均有三个电极，分别为源极即s极、栅极即g极和漏极即d极，所述漏电电路中第三MOS管的s极与第四MOS管的d极连接；第一反相器中第五MOS管的g极、d极分别与第六MOS管的g极、d极对应连接，第五MOS管、第六MOS管的g极连接端作为第一反相器的输入端；而第五MOS管、第六MOS管的d极连接端作为第一反相器的输出端；第二反相器中第七MOS管的g极、d极分别与第八MOS管的g极、d极对应连接，第七MOS管、第八MOS管的g极连接端作为第二反相器的输入端；而第七MOS管、第八MOS管的d极连接端作为第二反相器的输出端即Vout端；所述反馈控制器第一MOS管的d极与输入信号控制器第二MOS管的s极连接到输入节点端即输入信号源Vin端，反馈控制器第一MOS管、输入信号控制器第二MOS管、第四MOS管的g极和第二模拟膜电容的第二端b端均与第二反相器的输出端相连接，输入信号控制器第二MOS管、第三MOS管的d极以及第一模拟膜电容、第二模拟膜电容的第一端a端与第一反相器的输入端相连接；第一反相器的输出端与第二反相器的输入端相连接；第一模拟膜电容的第二端b端以及第四MOS管、第六MOS管、第八MOS管的s极都接地；上述硬件电路与模拟脉冲神经元功能外部输入源信号的对应关系为：输入信号源即Vin接入输入信号源Vin端；模拟反馈抑制电压即Vdep接入反馈控制器第一MOS管的s极；模拟放电速率控制电压即Vreset接入第三MOS管的g极；反相器源电压即Vdd分别接入第一反相器中第五MOS管的s极以及第二反相器中第七MOS管的s极。...

【技术特征摘要】
1.一种基于MOS场效应晶体管的模拟脉冲神经元的硬件电路,其特征是，包括反馈控制器第一MOS管、输入信号控制器第二MOS管、构成漏电电路的第三MOS管与第四MOS管、构成第一反相器的第五MOS管与第六MOS管、构成第二反相器的第七MOS管与第八MOS管、第一模拟膜电容和第二模拟膜电容，上述MOS管均有三个电极，分别为源极即s极、栅极即g极和漏极即d极，所述漏电电路中第三MOS管的s极与第四MOS管的d极连接；第一反相器中第五MOS管的g极、d极分别与第六MOS管的g极、d极对应连接，第五MOS管、第六MOS管的g极连接端作为第一反相器的输入端；而第五MOS管、第六MOS管的d极连接端作为第一反相器的输出端；第二反相器中第七MOS管的g极、d极分别与第八MOS管的g极、d极对应连接，第七MOS管、第八MOS管的g极连接端作为第二反相器的输入端；而第七MOS管、第八MOS管的d极连接端作为第二反相器的输出端即Vout端；所述反馈控制器第一MOS管的d极与输入信号控制器第二MOS管的s极连接到输入节点端即输入信号源Vin端，反馈控制器第一MOS管、输入信号控制器第二MOS管、第四MOS管的g极和第二模拟膜电容的第二端b端均与第二反相器的输出端相连接，输入信号控制器第二MOS管、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊秀，黄永创，付强，罗玉玲，岑明灿，莫家玲，
申请(专利权)人：广西师范大学，
类型：发明
国别省市：广西,45