[发明专利]一种基于N型局部有源忆阻器的神经元电路

说明书

本发明公开了一种基于N型局部有源忆阻器的神经元电路，由一个N型局部有源忆阻器、一个电感L、一个激励电压源V_D串联组成。N型局部有源忆阻器是一种在DC V‑I特性曲线中呈现N型负微分电导的忆阻器。通过对该具有特殊数学模型的N型局部有源忆阻器和电感串联构成神经元电路，施加合适的电压激励，使N型局部有源忆阻器具有放大小信号的能力，产生复杂的神经形态行为，为N型局部有源忆阻器在神经形态计算中的应用奠定了一定的基础。

技术领域

本发明涉及神经元电路设计领域，特别涉及一种由N型局部有源忆阻器构成的神经元电路。

背景技术

随着对计算系统的计算速度、集成度和能耗的要求越来越高，传统的基于冯诺依曼架构的计算结构逐渐难以满足需求。而借鉴人脑信息处理方式的神经形态计算因其高节能效率和大计算容量，显示出巨大的应用潜力。神经元作为神经形态计算的计算单元，探索神经元的硬件实现更是如火如荼。

蔡少棠教授指出，复杂的神经形态行为存在于局部有源区域。利用局部有源忆阻器的非线性和局部有源特性，可以用来设计神经元电路，将其应用至神经形态计算。

局部有源忆阻器在其DC V-I特性中具有负微分电阻(电导)区域，可分为S型(电流控制型)与N型(电压控制性)。目前已经广泛提出并实验验证了基于NbOx、TiO₂、Mott等忆阻器的神经元电路结构。然而，以上所有忆阻器件都是S型局部有源忆阻器。现有技术中尚未出现关于N型局部有源忆阻器的神经元电路。

发明内容

本发明是针对现有技术存在的问题，提出了一种基于N型局部有源忆阻器的神经元电路模型，模拟神经元的神经形态行为。

本发明提出的神经元电路由一个N型局部有源忆阻器、一个电感L、一个激励电压源VD组成；激励电压源VD的负极与地相连，正极与电感L的一端连接，电感L的另一端与N型局部有源忆阻器的一端与相连，N型局部有源忆阻器的另一端接地；

所述N型局部有源忆阻器的数学模型为：

其中i,v,x分别为流经忆阻器的电流、忆阻器两端的电压和忆阻器的状态变量，d₁,d₀,τ,α都是常数，G_M为忆导函数。

有益效果：本发明提出了一种结构简单的神经元电路，该电路仅包含一个N型局部有源忆阻器，一个电感和一个激励电压信号。N型局部忆阻器具有局部有源、高集成度、非线性等特征。因此，与现有技术相比，该神经元电路具有结构简单、可集成化等优势，可以应用于神经形态计算领域。

附图说明

图1为N型局部有源忆阻器的神经元电路原理图；

图2为N型局部有源忆阻器的小信号等效电路；

图3为神经元电路的频率特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1所示为基于提出的N型局部有源忆阻器的神经元电路原理图，由一个N型局部有源忆阻器、一个电感L、一个激励电压源VD组成；激励电压源VD的负极与地相连，正极与电感L的一端连接，电感L的另一端与N型局部有源忆阻器的一端与相连，N型局部有源忆阻器的另一端接地；

N型局部有源忆阻器数学模型的建立过程包括以下步骤：

步骤1、根据蔡氏展开定理，一般型电压控制型忆阻器的数学模型为

其中i、v表示流经忆阻器的电流和忆阻器两端的电压；G_M(x)为忆导函数；f(x,v)是关于忆阻器状态变量x和电压v的函数。