一种基于LIF神经元的WTA电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于LIF神经元的WTA电路。包括：膜电位积累电路、波形整形电路，泄露电路、脉冲产生电路、不应期电路、双重开关电路、逻辑门电路。本发明专利技术的忆阻LIF神经元通过忆阻器的阻值变化和MOS管的开关特性实现激发尖峰脉冲宽度、峰值电位大小和不应期时长可调控。本发明专利技术通过双重开关电路、逻辑门电路控制忆阻LIF神经元，实现WTA机制，能有效的提高时间编码信息的高速性和准确性，提高神经系统的噪声鲁棒性和稳定性，在面对庞大数量神经元激发的竞争中效果更好。并且本发明专利技术的忆阻LIF神经元电路及其WTA电路所用器件很少，有利于提高类脑芯片的集成密度。高类脑芯片的集成密度。高类脑芯片的集成密度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LIF神经元的WTA电路


[0001]本专利技术属于脉冲神经网络领域，具体涉及一种基于LIF神经元的WTA电路。

技术介绍

[0002]脉冲神经网络作为第三代神经网络，相比传统的人工神经网络更加贴近于生物的工作原理，它能够有效的模仿生物神经元之间的连接与通信。在脉冲神经网络中神经元作为一个基本单元，它能够接收脉冲信号并激发出尖峰脉冲，是实现复杂时空信息处理的重要基础。LIF神经元以生物神经元为模型，能够有效的模仿生物神经元的信息传递特性,例如动作电位尖峰的有或无尖峰、累积发放和不应期等。然而由于生物神经元的激发脉冲较为复杂，以传统器件构建的LIF神经元电路不仅需要大量元器件，而且LIF神经元激发尖峰脉冲与生物神经元激发脉冲相似度较低。这就导致了实用性低下，功耗高，不利于电路集成等问题。忆阻器作为一种新型元器件，它在外部施加电压时，忆阻值会随着施加电压的方向增大或减小。由于忆阻器阻值变化的非线性能更好的贴近生物神经元离子通道开关阻值变化的非线性，因此基于忆阻器的LIF神经元电路能有效降低LIF电路的复杂度，这将有利于提高类脑芯片的集成密度，降低类脑芯片的功耗。然而当前大多忆阻LIF神经元激发尖峰脉冲宽度、峰值强弱和不应期时长不可调控，这种神经元在脉冲神经网络中限制了信息的编码方式和传递速率，导致了神经计算灵活性大幅下降。
[0003]为了有效的减少器件的数量和功耗，提高神经元的编码速率为神经网络传递灵活的时空信息。构建功能完备，简洁高效且激发尖峰脉冲宽度、峰值强弱和不应期时长可调控的忆阻LIF神经元在类脑集成芯片上有重要意义。
[0004]通常来讲生物神经元中的WTA机制是指当多个神经元同时与同一目标神经元相连时，只有其中具有最高激活值的神经元会产生输出，其他神经元的输出则被抑制。而在机器学习领域中，WTA有多种方式，其中有一种与时间相关的WTA学习机制。在该机制中，神经元之间是基于时间竞争的，即根据神经元激活的时间顺序来决定某个神经元被激活。时间相关WTA机制常见于神经网络和时序分类模型中，这种机制可以帮助神经元在接收到输入信号时快速调整活性水平，从而实现更精确的响应，并且可以在输入信号的时间序列中提取重要的信息。此外，时间相关的WTA学习机制还可以通过抑制不必要的信号来提高神经系统的噪声鲁棒性和稳定性，从而提高信息处理的可靠性和准确性。而当前传统神经元与时间相关的WTA电路多基于放大器实现，这种实现方式不仅结构复杂，并且在面对庞大数量神经元竞争时无法满足SNN计算中速率编码的高速性和稳定性。

技术实现思路

[0005]针对与现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种激发尖峰范围调控忆阻LIF(泄漏积分和点火)神经元电路及与时间速率相关的WTA(赢者通吃)电路。本专利技术的技术方案是，
[0006]一种基于LIF神经元的WTA电路，其特征在于，包括多个同时参与竞争的LIF神经元
电路、数量与LIF神经元电路相等的双重开关电路和一个逻辑门电路；
[0007]所述的LIF神经元电路包括依次连接的输入端、膜电位积累单元、波形整形单元、脉冲产生单元、不应期单元和输出端；
[0008]输入端连接膜电位积累单元的输入端，并通过膜电位积累单元来对输入电流进行积分；
[0009]膜电位积累单元的输出端连接波形整形单元的输入端，以向波形整形单元输出达到预设阈值的电压；
[0010]波形整形单元的输出端连接至脉冲产生单元，以输出由膜电位积累单元产生的模拟信号转换并整形后得到的数字信号；其中波形整形单元包括一级反相器和二级反相器；一级反相器的输入端通过泄漏单元连接至膜电位积累单元，并在接收到预设阈值的电压后马上由输出正电压转为输出0电压，从而向二级反相器输出在正电压和0之间转换的方波信号；二级反相器在接收到0电压后马上由输出负电压转换为输出正电压，从而输出在负电压和正电压之间转换的方波信号；
[0011]脉冲产生单元的输出端作为LIF神经元电路的输出端来基于接收的数字信号产生尖峰脉冲输出，同时还连接到不应期单元以控制不应期单元；
[0012]不应期单元的输出端连接到膜电位积累单元的输入端，以对膜电位积累单元的输入进行通断控制；
[0013]所述的双重开关电路包括第一控制端和第二控制端，其中第一控制端连接LIF神经元电路中波形整形单元的一级反相器输出端，第二控制端连接至逻辑门电路的输出端，双重开关电路的输出端连接至膜电位积累单元以控制膜电位积累单元开始或停止积分；
[0014]所述的逻辑门电路的输入端连接所有参与竞争的LIF神经元电路中波形整形电路的输出端，并通过输出端来与各个双重开关电路一起控制各个LIF神经元电路的膜电位积累单元开始或停止积分。
[0015]所述的一种基于LIF神经元的WTA电路，还包括泄露单元，所述的泄漏单元设置于膜电位积累单元和波形整形单元之间，以使膜电位积累单元通过泄露单元来向波形整形单元输出达到预设阈值的电压。
[0016]所述的一种基于LIF神经元的WTA电路，所述的膜电位积累单元包括电容，所述的电容的一端连接于电流输入端和波形整形单元之间，另一端接地；所述的泄漏单元包括泄漏电阻，所述的泄漏电阻的一端连接于膜电位积累单元和波形整形单元之间，另一端接地。
[0017]所述的一种基于LIF神经元的WTA电路，所述的一级反相器包括第一NMOS管和第一PMOS管；所述的第一NMOS管和第一PMOS管的栅极互相连接，并通过泄漏单元连接至膜电位积累单元；第一NMOS管的漏极和第一PMOS管的漏极相连；第一NMOS管的源极接地，第一PMOS管的源极接正电压；
[0018]所述的二级反相器包括第二NMOS管和第二PMOS管；所述的第二NMOS管和第二PMOS管的栅极互相连接，并通过泄漏单元连接至膜电位积累单元；第二NMOS管的漏极和第二PMOS管的漏极相连；第二NMOS管的源极接负电压，第二PMOS管的源极接正电压。
[0019]所述的一种基于LIF神经元的WTA电路，所述的脉冲产生单元包括脉冲单元忆阻器和脉冲单元电阻，所述的脉冲单元忆阻器的输入端连接至波形整形单元的输出端，脉冲单元忆阻器的输出端作为电压输出端，并连接至不应期单元；所述的脉冲单元电阻的一端连
接至脉冲单元忆阻器的输出端，另一端连接至正电压。
[0020]所述的一种基于LIF神经元的WTA电路，所述的不应期单元包括不应期单元PMOS管，所述的不应期单元PMOS管的栅极连接至脉冲产生单元，漏极连接至电流输入端和膜电位积累单元之间，源极接地。
[0021]所述的一种基于LIF神经元的WTA电路，所述的双重开关电路包括第三NMOS管和第四NMOS管，所述的第三NMOS管的漏极与第四NMOS管的源极连接，第三NMOS管的源极接地，第四NMOS管的漏极连接膜电位积累单元，第三NMOS管的栅极连接逻辑门电路的输出端，第四NMOS管的栅极连接LIF神经元电路中波形整形单元的一级反相器输出端。
[0022]所述的一种基于LIF神经本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LIF神经元的WTA电路，其特征在于，包括多个同时参与竞争的LIF神经元电路、数量与LIF神经元电路相等的双重开关电路和一个逻辑门电路；所述的LIF神经元电路包括依次连接的输入端、膜电位积累单元、波形整形单元、脉冲产生单元、不应期单元和输出端；输入端连接膜电位积累单元的输入端，并通过膜电位积累单元来对输入电流进行积分；膜电位积累单元的输出端连接波形整形单元的输入端，以向波形整形单元输出达到预设阈值的电压；波形整形单元的输出端连接至脉冲产生单元，以输出由膜电位积累单元产生的模拟信号转换并整形后得到的数字信号；其中波形整形单元包括一级反相器和二级反相器；一级反相器的输入端通过泄漏单元连接至膜电位积累单元，并在接收到预设阈值的电压后马上由输出正电压转为输出0电压，从而向二级反相器输出在正电压和0之间转换的方波信号；二级反相器在接收到0电压后马上由输出负电压转换为输出正电压，从而输出在负电压和正电压之间转换的方波信号；脉冲产生单元的输出端作为LIF神经元电路的输出端来基于接收的数字信号产生尖峰脉冲输出，同时还连接到不应期单元以控制不应期单元；不应期单元的输出端连接到膜电位积累单元的输入端，以对膜电位积累单元的输入进行通断控制；所述的双重开关电路包括第一控制端和第二控制端，其中第一控制端连接LIF神经元电路中波形整形单元的一级反相器输出端，第二控制端连接至逻辑门电路的输出端，双重开关电路的输出端连接至膜电位积累单元以控制膜电位积累单元开始或停止积分；所述的逻辑门电路的输入端连接所有参与竞争的LIF神经元电路中波形整形电路的输出端，并通过输出端来与各个双重开关电路一起控制各个LIF神经元电路的膜电位积累单元开始或停止积分。2.根据权利要求1所述的一种基于LIF神经元的WTA电路，其特征在于，还包括泄露单元，所述的泄漏单元设置于膜电位积累单元和波形整形单元之间，以使膜电位积累单元通过泄露单元来向波形整形单元输出达到预设阈值的电压。3.根据权利要求2所述的一种基于LIF神经元的WTA电路，其特征在于，所述的膜电位积累单元包括电容，所述的电容的一端连接于电流输入端和波形整形单元之间，另一端接地；所述的泄漏单元包括泄漏电阻，所述的泄漏电阻的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋宏甲，王怀宇，钟向丽，王金斌，郭红霞，欧阳晓平，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：