[发明专利]一种基于LIF模型的脉冲神经网络神经元电路

说明书

本发明请求保护一种基于LIF(Leaky Integrate and Fire)模型的脉冲神经网络神经元电路，属于集成电路设计领域。该电路主要包括：膜电位积累电路、泄露电路、脉冲产生电路、不应期电路及复位电路。本发明不仅实现了LIF神经元模型的积分泄露点火功能，还模拟了生物神经元的不应期特性，其中不应期可调。本发明基于CMOS工艺，电路结构简单，且电路中多采用亚阈值区MOS管，使神经元电路具有超低功耗特性；电路的输入电流为pA级，输出脉冲频率为Hz级，能很好模拟生物神经元的典型工作状态，有效地实现了神经元的功能，可用于实现大规模脉冲神经网络系统。

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，尤其涉及到一种基于LIF(Leaky Integrateand Fire)模型的脉冲神经网络神经元电路实现的方法。

背景技术

生物系统非常节能，特别是大脑，由数十亿神经元细胞组成，耗电约20W。这些单元是有噪声的、不精确的、不可靠的模拟设备。当它们被集成到由相互作用的神经元组成的大脑结构中时，它们可以在非常低功耗的情况下，实时地、高精度地解决复杂的任务和表现复杂的行为。人的大脑中有1011个神经元及1015个突触且消耗能量极低。若想要模拟大脑中大量神经元和突触并行处理信息，电路需要具有超低功耗的性能及占用面积越小越好。神经网络研究方向可分为两类，一类是精确模拟人脑的运行模式，即模拟出细胞膜中的离子通道，例如Hodgkin-Huxley神经元模型，但这类模型实现较为复杂；一类是追求超低功耗及超紧凑电路，在这类电路中，通常使用较为简单的神经元模型，例如LIF神经元模型，该模型既能实现神经元基本功能，又因电路实现较为简单，能极大降低电路功耗。

CMOS集成电路设计中电子学的最新进展通过减小晶体管的尺寸，可以在平方厘米内封装数十亿个晶体管，可以利用这种先进技术来模仿像大脑一样的电路。这些电子系统通常在电源电压(典型值约1V)下运行，但是传统的模拟电路的性能在如此低的电源电压下会大大降低。因此需要设计一种神经元电路，不仅能模拟生物神经元特性，还能在低电源电压下工作。

本发明提供一种基于LIF模型的脉冲神经网络神经元电路实现方法，以克服现有技术中电子系统在低电源电压下工作性能差的问题，而且在典型LIF模型的基础上，使神经元电路具备不应期，通过调节偏置电压对不应期进行调整，从而控制神经元电路的脉冲发射频率，使得神经元电路可以适应各种频率下的工作条件。

发明内容

本发明为实现上述目的，本发明结合亚阈值区MOS管的工作机制，设计了一种基于LIF模型的低功耗脉冲神经网络神经元电路。本发明的技术方案如下：

一种基于LIF模型的脉冲神经网络神经元电路，其包括：膜电位积累电路、泄露电路、脉冲产生电路、不应期电路及复位电路，所述膜电位积累电路与泄露电路相连，膜电位积累电路的输出端连接到脉冲产生电路的一个输入端，脉冲产生电路与不应期电路相连，不应期电路的输出端连接到复位电路的输入端，复位电路的输出端连接到膜电位积累电路的输入端。所述膜电位积累电路通过一个电容C_mem实现，利用电容C_mem对输入信号进行累积，将膜电位V_mem积累至阈值电压用于产生脉冲信号；

所述泄露电路采用一个NMOS管M3与电容C_mem并联，没有信号输入时，膜电压将会泄露至静息电位或到下一次信号的到来；

所述脉冲产生电路由一个比较器Comp与一个buffer构成，将膜电位与阈值电压进行比较，一旦膜电位超过阈值电压则发射一个脉冲信号；

所述不应期电路由一个电容C1、一个PMOS管M4与一个由V_ref控制的NMOS管M5并联构成，V_ref可以调节不应期时间。一旦脉冲产生电路产生一个脉冲信号，不应期电路则产生一个复位信号传输给复位电路；