[发明专利]数模混合神经元电路

说明书

本发明公开了一种数模混合神经元电路，包括数字电路模块以及模拟电路模块，所述模拟电路模块包括可重构电容阵列、钠通道模块以及钾通道模块，所述可重构电容阵列的容值受控于所述数字电路模块，用于在所述数字电路模块的控制下调整容值，进而实现不同的神经元放电行为；电源的输入端与所述可重构电容阵列的C+端连接，所述可重构电容阵列的C+端连接所述神经元电路的输出端，所述可重构电容阵列的C‑端接地；所述可重构电容阵列与泄放电阻R_L并联，所述钠通道模块和所述钾通道模块与所述泄放电阻R_L并联；所述神经元电路可以通过微控制实现在线精确控制可重构电容阵列，使所述神经元电路产生不同的放电形式，而且可以实现软件定义的神经元内部可塑性规则，为实现类脑神经网络提供基础单元。

技术领域

本发明涉及模仿生物神经元网络实现人工智能的神经形态工程领域，尤其涉及一种数模混合神经元电路。

背景技术

生物体的大脑是由大量的神经元和神经突触组成的复杂网络。随着各国脑计划的实施，类脑智能不断发展，研究人员使用大规模集成电路技术（神经形态工程）来模拟生物脑结构及信息处理功能，期待一方面通过模拟大脑的高度并行性、低功耗、高鲁棒性以及在线学习等特性，实现更强的人工智能；另一方面利用实现的神经形态系统进行超大规模（数千亿计），多物理尺度（从微观离子到介观回路到宏观脑区）的神经元网络仿真，探索生物大脑的工作机制，解开生物智能的奥秘。因此，用电路技术实现神经元网络成为研究热点，而实现神经元电路是实现类脑神经网络的基础。神经元本身是一个具有高度非线性特征的模拟信号单元，当外部环境发生变化时，自身能够通过控制其细胞膜上的离子通道调节其内部兴奋性，从而使神经元表现出不同的放电行为，放电频率保持一种动态平衡状态，对于神经网络功能的鲁棒性具有重要的作用。这种内部兴奋性的可塑性被称为内部可塑性（Intrinsic Plasticity），内部可塑性是生物神经元的一个重要特征。因此，实现具有内部可塑性的神经元电路，具有重要的应用价值与科学意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种可以精确控制可重构电容阵列，使所述神经元电路具有内部可塑性特征，产生不同的放电形式，为实现类脑神经网络提供基础单元的数模混合神经元电路。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种数模混合神经元电路，其特征在于：包括数字电路模块以及模拟电路模块，所述模拟电路模块包括可重构电容阵列、钠通道模块以及钾通道模块，所述可重构电容阵列的容值受控于所述数字电路模块，用于在所述数字电路模块的控制下调整容值，进而实现不同的神经元放电行为；电源的输入端与所述可重构电容阵列的C+端连接，所述可重构电容阵列的C+端连接所述神经元电路的输出端，所述可重构电容阵列的C-端接地；所述可重构电容阵列与泄放电阻R_L并联，所述钠通道模块和所述钾通道模块与所述泄放电阻R_L并联；

可重构电容阵列接收外部输入电流信号I_ext，首先对所述可重构电容阵列进行充电，当所述可重构电容阵列的电压大于所述钠通道模块中三极管Q1的开启电压时，所述钠通道模块对可重构电容阵列以及所述钾通道模块进行充电，用于模拟生物神经元钠离子通道开启，当所述钾通道模块中电容C1的电压大于三极管Q3的开启电压时，所述可重构电容阵列再通过所述钾通道模块进行放电，模拟生物神经元钾离子通道开启，继而钠通道模块产生的钠通道电流停止对可重构电容阵列充电，模拟神经元细胞膜上钠离子通道关闭；最后，可重构电容阵列也停止通过所述钾通道模块放电，外部输入电流信号I_ext继续对可重构电容阵列充电，使可重构电容阵列两端的电压恢复到静息电位，完成一个动作脉冲的产生过程。

进一步的技术方案在于：所述数字电路模块包括微控制器模块和移位寄存器模块，所述微控制器模块通过外部电源进行供电，所述微控制器模块的控制输出端与所述移位寄存器模块的输入端连接，所述移位寄存器模块的输出端与所述可重构电容阵列的控制端连接，通过微控制器模块经移位寄存器模块控制可重构电容阵列容值的调节。