RBF神經元電路的製作方法

2023-08-09 20:43:26 2

本實用新型涉及一種神經元電路，具體涉及一種RBF神經元電路。
背景技術：
：RBF(徑向基函數，RadialBasicFunction)神經網絡的理論模型在模式分類、函數逼近等人工智慧領域得到了廣泛的應用，但目前還主要集中在傳統的計算機的軟體模擬實現上。RBF神經網絡在軟體上的實現都是採用通用CPU處理器，不方便嵌入到別的應用系統中去，並且依靠體積巨大的通用計算機系統完成學習運算，不具備便攜性。在運算過程中，CPU往往是要等到RBF的神經元一個接一個地計算完之後，再計算總的結果，採用的是串行計算方式，速度較慢。因此，RBF神經網絡的軟體實現難以滿足其在人工智慧應用領域高速、便攜、可嵌入等方面的要求。RBF神經網絡的硬體實現，可以集成為專用的神經網絡晶片，具有體積小、攜帶方便的特點，容易嵌入到其它系統中實現專用功能。此外，它還可以實現高度的並行計算，克服了在軟體上實現RBF神經網絡的缺陷。因此，RBF神經網絡的硬體實現研究具有重要意義。技術實現要素：本實用新型提出了一種RBF神經元的電路，通過給定適當的外界偏置電壓，可產生一個中心可變、形狀可變的二維類高斯函數。本實用新型通過以下技術方案實現：一種RBF神經元電路，其特徵在於：包括第一Gilbert乘法器、第二Gilbert乘法器、開平方根電路、電阻及類高斯函數產生電路；所述第一Gilbert乘法器、第二Gilbert乘法器的電流輸出端分別連接開平方根電路的輸入端；開平方根電路的輸出端分別連接電阻的一端及類高斯函數產生電路的電流輸入端；電阻的另一端接地；所述第一Gilbert乘法器第一輸入端為神經元電路的第一輸入端Vx，所述第二Gilbert乘法器第一輸入端為神經元電路的第二輸入端Vy，所述第一Gilbert乘法器第二輸入端為神經元電路的第一控制端Vx0，所述第二Gilbert乘法器第二輸入端為神經元電路的第二控制端Vy0，類高斯函數的第一輸入端為神經元電路的第三控制端V1，類高斯函數的第二輸入端為神經元電路的第四控制端V2，類高斯函數產生電路為神經元電路的輸出Iout，其中Vx0、Vy0用來控制類高斯函數的中心，V1和V2用來控制類高斯函數的形狀，通過在四個控制端加載適當的偏置電壓，產生一個中心可變、形狀可變的二維類高斯函數，二維平面上的點的坐標由Vx，Vy輸入，對應的類高斯函數值由Iout輸出。在本實用新型一實施例中，所述第一Gilbert乘法器、第二Gilbert乘法器均包括第一至第十七電晶體M1～M17；第一電晶體至第六電晶體M1～M6的發射極連接在一起接高電平；第一電晶體M1的基極接第二電晶體M2的基極；第一電晶體M1的集電極接分別接第九電晶體M9的發射極及第十電晶體M10的發射極；第二電晶體M2的基極接第二電晶體的集電極；第二電晶體M2的集電極接第七晶體的管M7的集電極；第三電晶體M3的基極接第四電晶體M4的基極；第三電晶體M3的基極接第三電晶體M3的集電極；第三電晶體M3的集電極接第八電晶體M8的集電極；第四電晶體M4的集電極分別接第十一電晶體M11的發射極及第十二電晶體M12的發射極；第五電晶體M5的基極接第六電晶體M6的基極；第五電晶體M5的基極接第五電晶體M5的集電極；第五電晶體M5的集電極接第十四電晶體M14的集電極；第六電晶體M6的集電極分別接第十七電晶體M17的集電極及輸出Iout1；第七電晶體M7的基極接Vw1；第七電晶體M7的發射極分別接第八電晶體的發射極及第十三電晶體M13的集電極；第八電晶體M8的基極接Vw2；第九電晶體M9的基極接第十二電晶體M12的基極；第九電晶體M9的集電極分別接第十一電晶體M11的集電極及第十五電晶體M15的集電極；第十電晶體M10的基極接第十一電晶體M11的基極；第十電晶體M10的集電極分別接第十二電晶體M12的集電極及第十六電晶體M16的集電極；第九電晶體M9和第十電晶體M10的基極分別接Vin的正負極；第十三電晶體M13的基極接Vbias；第十四電晶體M14的基極第十五電晶體M15的基極；第十五電晶體M15的基極接其集電極；第十六電晶體M16的基極接第十七管M17基極；第十六電晶體M16的基極接其集電極；第十三至第十七電晶體的發射極連接一起接地。在本實用新型一實施例中，所述開平方根電路包括第十八至第二十六電晶體M18～M26；所述第十八電晶體M18集電極及第十九電晶體M19基極連接作為開平方根電路輸入端Iin；第十八電晶體M18基極分別接第二十六電晶體M26基極、第十九電晶體M19發射極及第二十四電晶體M24集電極；第十九電晶體M19基極接第二十一電晶體M21基極；第二十電晶體M20基極接其集電極；第二十一電晶體M21發射極接第二十電晶體M20集電極；第二十一電晶體M21集電極接第二十二電晶體M22集電極；第二十二電晶體M22基極接第二十三電晶體基極；第十九電晶體M19集電極、第二十二電晶體M22發射極及第二十三電晶體M23發射極連接在一起接高電平；第二十三電晶體M23集電極分別接第二十五電晶體M25集電極及輸出Iout2；第二十四電晶體M24基極分別接第二十五電晶體M25基極與輸出端Vb；第二十六電晶體M26集電極接輸出Iout2；第十八電晶體M18集電極及第二十四第二十六電晶體M24～M26發射極連接在一起接地。在本實用新型一實施例中，所述類高斯函數產生電路包括第二十七至第五十二電晶體M27～M52；第二十七電晶體M27發射極、第二十八電晶體M28發射極及第三十五至第四十二電晶體M35～M42發射極連接在一起接高電平；所述第二十七電晶體M27基極分別接第二十七電晶體M27的集電極及第二十八電晶體M28基極；第二十七電晶體M27的集電極接第二十九電晶體M29的發射極；第二十八電晶體M28集電極接第三十電晶體M30發射極；第二十九電晶體M29基極分別接第二十九電晶體M29集電極接第三十電晶體M30基極；第二十九電晶體M29集電極接第三十一電晶體M31集電極；第三十電晶體M30集電極接第四十七電晶體M47集電極；第三十一電晶體M31集電極接其基極；第三十一電晶體M31基極分別接第三十一電晶體M31集電極及第三十二電晶體M32基極；第三十一電晶體M31發射極接第三十三M33集電極；第三十二電晶體M32集電極接第三十五M35集電極；第三十二電晶體M32發射極接第三十四電晶體M34集電極；第三十三電晶體M33基極分別接第三十三電晶體M33集電極及第三十四電晶體M34基極；第三十三電晶體M33發射極、第三十四電晶體M34發射極、第五十至第五十二電晶體發射極連接在一起接地；第三十五電晶體M35基極分別連接第三十五電晶體M35集電極、第三十六電晶體M36基極、第四十一電晶體M41基極及第四十二電晶體M42基極；第三十六電晶體M36集電極接第三十七電晶體M37基極；第三十七電晶體M37集電極分別接第四十三電晶體M43集電極及接第四十五電晶體M45集電極；第三十七電晶體M37基極接第三十八電晶體M38基極；第三十八電晶體M38基極、第三十九電晶體M39集電極、第四十二電晶體M42集電極連接在一起接輸出Iout3；第三十九電晶體M39基極分別接第四十電晶體M40基極及第四十一電晶體M41集電極；第四十電晶體M40集電極分別接第四十四電晶體M44集電極及第四十六電晶體M46集電極；第四十三電晶體M43基極與第四十六電晶體M46基極一起接輸入Vin，第四十三電晶體M43發射極分別接第四十四電晶體M44發射極及第四十八電晶體M48集電極；第四十四電晶體M44基極接V1；第四十五電晶體M45基極接V2；第四十五電晶體M45發射極分別接第四十六電晶體M46發射極及第四十九電晶體M49集電極；第四十七電晶體M47基極分別第四十七電晶體M47集電極、第四十八電晶體M48基極、第四十九電晶體M49基極；第四十七電晶體M47發射極接第五十電晶體M50集電極；第四十八電晶體M48集電極接第五十一電晶體M51集電極；第四十九電晶體M49發射極接第五十二電晶體M52集電極；第五十電晶體M50基極分別接第五十電晶體M50集電極、第五十一電晶體M51基極、第五十二電晶體M52基極。較佳的，所述電晶體為CMOS管。本實用新型提出了一種RBF神經元的模擬電路實現方案。通過給定適當的外界偏置電壓，可產生一個中心可變、形狀可變的二維類高斯函數。該RBF神經元電路模塊是RBF神經網絡電路系統中最重要的基本單元，可用來搭建模式分類器、函數逼近器等神經網絡電路。本實用新型可集成為專用的神經網絡晶片，具有體積小、方便攜帶、可嵌入等優點，可以實現高度的並行計算，克服了軟體實現RBF神經元電路模塊的體積大、不易攜帶、不易嵌入、運算速度慢的缺陷。本實用新型還可以通過增加Gilbert乘法器數目來產生更高維的類高斯函數，使其用來搭建更複雜的模式分類器、函數逼近器等神經網絡電路系統，具有較強的可拓展性。本實用新型憑藉其可嵌入性、便攜性、高速性、可擴展等優點，有望在模式分類和函數逼近等人工智慧領域得到廣泛的應用。附圖說明圖1為RBF神經元電路模塊的示意圖。圖2為RBF神經元電路模塊的原理圖。圖3為Gilbert乘法器的電晶體級電路圖。圖4為開平方根電路的電晶體級電路圖。圖5類高斯函數產生電路的電晶體級電路圖。圖6類高斯函數產生電路的仿真圖。圖7類高斯函數產生電路的仿真波形與理想高斯函數對比圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步說明。本實用新型提出了一種RBF神經元的模擬電路實現方案，通過給定適當的外界偏置電壓，可產生一個中心可變、形狀可變的二維類高斯函數。該RBF神經元電路模塊是RBF神經網絡電路系統中最重要的基本單元，可用來搭建模式分類器、函數逼近器等神經網絡電路。本實用新型可以集成為專用的神經網絡晶片，其體積小，攜帶方便，容易嵌入到其它系統中。此外，它還可以實現高度的並行計算，克服了軟體實現RBF神經元電路模塊的體積大、不易攜帶、不易嵌入、運算速度慢等缺陷。本實用新型的Gilbert乘法器，開平方根電路和類高斯函數產生電路這些基本電路單元設計了一個RBF神經元電路模塊。如圖1所示，該RBF神經元電路模塊有兩個輸入端(Vx，Vy)，一個輸出端(Iout)，以及四個控制端(其中(Vx0，Vy0)用來控制類高斯函數的中心，V1和V2用來控制類高斯函數的形狀)。通過在控制端加載適當的偏置電壓，便可產生一個中心可變、形狀可變的二維類高斯函數。二維平面上的點的坐標由(Vx，Vy)輸入，對應的類高斯函數值由Iout輸出。本實用新型的原理圖如圖2所示，RBF神經元電路包括第一Gilbert乘法器、第二Gilbert乘法器、開平方根電路、電阻及類高斯函數產生電路；所述第一Gilbert乘法器、第二Gilbert乘法器的電流輸出端分別連接開平方根電路的輸入端；開平方根電路的輸出端分別連接電阻的一端及類高斯函數產生電路的電流輸入端；電阻的另一端接地；輸入端(Vx，Vy)將二維平面上的點的坐標輸入該RBF神經元電路模塊；經過兩個Gilbert乘法器，分別得到兩路信號為I1＝k(Vx-Vx0)2和I2＝k(Vy-Vy0)2；兩個電流信號相加後通過開平方根電路，得到最後通過類高斯函數產生電路，得到逼近Iout＝Aexp(-((Vx-Vx0)2+(Vy-Vy0)2)/D)(A和D為常數)的類高斯函數形式。圖3為Gilbert乘法器的電晶體級電路圖，它在神經網絡中被廣泛用於實現大規模處理Σ的功能。摺疊式Gilbert乘法器的動態範圍大、乘法運算的精度高。所述第一Gilbert乘法器、第二Gilbert乘法器均包括第一至第十七電晶體M1～M17；第一電晶體至第六電晶體M1～M6的發射極連接在一起接高電平；第一電晶體M1的基極接第二電晶體M2的基極；第一電晶體M1的集電極接分別接第九電晶體M9的發射極及第十電晶體M10的發射極；第二電晶體M2的基極接第二電晶體的集電極；第二電晶體M2的集電極接第七晶體的管M7的集電極；第三電晶體M3的基極接第四電晶體M4的基極；第三電晶體M3的基極接第三電晶體M3的集電極；第三電晶體M3的集電極接第八電晶體M8的集電極；第四電晶體M4的集電極分別接第十一電晶體M11的發射極及第十二電晶體M12的發射極；第五電晶體M5的基極接第六電晶體M6的基極；第五電晶體M5的基極接第五電晶體M5的集電極；第五電晶體M5的集電極接第十四電晶體M14的集電極；第六電晶體M6的集電極分別接第十七電晶體M17的集電極及輸出Iout1；第七電晶體M7的基極接Vw1；第七電晶體M7的發射極分別接第八電晶體的發射極及第十三電晶體M13的集電極；第八電晶體M8的基極接Vw2；第九電晶體M9的基極接第十二電晶體M12的基極；第九電晶體M9的集電極分別接第十一電晶體M11的集電極及第十五電晶體M15的集電極；第十電晶體M10的基極接第十一電晶體M11的基極；第十電晶體M10的集電極分別接第十二電晶體M12的集電極及第十六電晶體M16的集電極；第九電晶體M9和第十電晶體M10的基極分別接Vin的正負極；第十三電晶體M13的基極接Vbias(因為是外接電壓因此圖中未標出)；第十四電晶體M14的基極第十五電晶體M15的基極；第十五電晶體M15的基極接其集電極；第十六電晶體M16的基極接第十七管M17基極；第十六電晶體M16的基極接其集電極；第十三至第十七電晶體的發射極連接一起接地。開平方根電路的電晶體級電路圖如圖4所示，其核心部分是由M18，M19，M20以及M21構成的translinear結構，M20管和M21管的寬長比是M18管和M19管的寬長比的4倍，該電路可實現對電流開平方根。具體的在本實用新型一實施例中，所述開平方根電路包括第十八至第二十六電晶體M18～M26；所述第十八電晶體M18集電極及第十九電晶體M19基極連接作為開平方根電路輸入端Iin；第十八電晶體M18基極分別接第二十六電晶體M26基極、第十九電晶體M19發射極及第二十四電晶體M24集電極；第十九電晶體M19基極接第二十一電晶體M21基極；第二十電晶體M20基極接其集電極；第二十一電晶體M21發射極接第二十電晶體M20集電極；第二十一電晶體M21集電極接第二十二電晶體M22集電極；第二十二電晶體M22基極接第二十三電晶體基極；第十九電晶體M19集電極、第二十二電晶體M22發射極及第二十三電晶體M23發射極連接在一起接高電平；第二十三電晶體M23集電極分別接第二十五電晶體M25集電極及輸出Iout2；第二十四電晶體M24基極分別接第二十五電晶體M25基極與輸出端Vb；第二十六電晶體M26集電極接輸出Iout2；第十八電晶體M18集電極及第二十四第二十六電晶體M24～M26發射極連接在一起接地。類高斯函數電路的電晶體級電路圖如圖5所示，由於CMOS電路難以用來產生精確的高斯函數波形，因此根據差分輸入對管的大信號特性同時產生能夠逐漸增大和逐漸減小的電流，並利用電流的相加得到一種結構簡單、波形可調的類高斯函數電路。所述類高斯函數產生電路包括第二十七至第五十二電晶體M27～M52；第二十七電晶體M27發射極、第二十八電晶體M28發射極及第三十五至第四十二電晶體M35～M42發射極連接在一起接高電平；所述第二十七電晶體M27基極分別接第二十七電晶體M27的集電極及第二十八電晶體M28基極；第二十七電晶體M27的集電極接第二十九電晶體M29的發射極；第二十八電晶體M28集電極接第三十電晶體M30發射極；第二十九電晶體M29基極分別接第二十九電晶體M29集電極接第三十電晶體M30基極；第二十九電晶體M29集電極接第三十一電晶體M31集電極；第三十電晶體M30集電極接第四十七電晶體M47集電極；第三十一電晶體M31集電極接其基極；第三十一電晶體M31基極分別接第三十一電晶體M31集電極及第三十二電晶體M32基極；第三十一電晶體M31發射極接第三十三M33集電極；第三十二電晶體M32集電極接第三十五M35集電極；第三十二電晶體M32發射極接第三十四電晶體M34集電極；第三十三電晶體M33基極分別接第三十三電晶體M33集電極及第三十四電晶體M34基極；第三十三電晶體M33發射極、第三十四電晶體M34發射極、第五十至第五十二電晶體發射極連接在一起接地；第三十五電晶體M35基極分別連接第三十五電晶體M35集電極、第三十六電晶體M36基極、第四十一電晶體M41基極及第四十二電晶體M42基極；第三十六電晶體M36集電極接第三十七電晶體M37基極；第三十七電晶體M37集電極分別接第四十三電晶體M43集電極及接第四十五電晶體M45集電極；第三十七電晶體M37基極接第三十八電晶體M38基極；第三十八電晶體M38基極、第三十九電晶體M39集電極、第四十二電晶體M42集電極連接在一起接輸出Iout3；第三十九電晶體M39基極分別接第四十電晶體M40基極及第四十一電晶體M41集電極；第四十電晶體M40集電極分別接第四十四電晶體M44集電極及第四十六電晶體M46集電極；第四十三電晶體M43基極與第四十六電晶體M46基極一起接輸入Vin，第四十三電晶體M43發射極分別接第四十四電晶體M44發射極及第四十八電晶體M48集電極；第四十四電晶體M44基極接V1；第四十五電晶體M45基極接V2；第四十五電晶體M45發射極分別接第四十六電晶體M46發射極及第四十九電晶體M49集電極；第四十七電晶體M47基極分別第四十七電晶體M47集電極、第四十八電晶體M48基極、第四十九電晶體M49基極；第四十七電晶體M47發射極接第五十電晶體M50集電極；第四十八電晶體M48集電極接第五十一電晶體M51集電極；第四十九電晶體M49發射極接第五十二電晶體M52集電極；第五十電晶體M50基極分別接第五十電晶體M50集電極、第五十一電晶體M51基極、第五十二電晶體M52基極。該電路的工作方法為：輸入端Vx，Vy將二維平面上的點的坐標輸入該RBF神經元電路；經過兩個Gilbert乘法器，分別得到兩路信號為Iout1＝k0(Vx-Vx0)2和Iout1』＝k0(Vy-Vy0)2；兩個電流信號相加後通過開平方根電路，得到最後通過類高斯函數產生電路，得到逼近Iout＝bexp(-((Vx-Vx0)2+(Vy-Vy0)2)/d)的類高斯函數形式，b和d為常數。所述電晶體為CMOS管。在本實用新型一實施例中，Gilbert乘法器包括第一至第十七電晶體M1～M17，其中第七電晶體M7和第八電晶體M8具有相同的寬長比，第九電晶體M9、第十電晶體M10、第十一電晶體M11和第十二M12具有相同的寬長比，用W表示電晶體溝道寬度，L表示電晶體溝道長度，Cox表示電晶體單位面積柵氧電容，μp和μn分別表示空穴和電子的溝道遷移率，則該電路的輸出電流為：公式(1)，將Vw1與Vin的正端相連，用Vx表示，將Vw2與Vin的負端相連，用Vx0表示，則可得到：即Iout1＝k0(Vx-Vx0)2，其中Gilbert乘法器電晶體尺寸參見表1。表1管子名稱寬長比(W/L)管子名稱寬長比(W/L)M160/1M1015/1M260/1M1115/1M360/1M1215/1M460/1M13100/1M560/1M1440/1M660/1M1540/1M75/1M1640/1M85/1M1740/1M915/1在本實用新型一實施例中，所述開平方根電路的M20管和M21管的寬長比是M18管和M19管的寬長比的4倍，對輸入電流開平方根即開平方根電路的電晶體尺寸參見表2表2管子名稱寬長比(W/L)M1825/1M1925/1M2050/1M2150/1M22100/1M23100/1M2430/1M2530/1M2625/1在本實用新型一實施例中，所述類高斯函數產生電路包括第二十七至第五十二電晶體M27～M52，假設第三十六至第四十一電晶體M36～M41具有相同的寬長比，且是第三十五電晶體M35的a倍，第四十二電晶體M42的寬長比是第三十五電晶體M35的c倍，第四十八電晶體M48、第四十九電晶體M49、第五十一電晶體M51、第五十為電晶體M52具有相同的寬長比，並且是第四十七電晶體M47、第五十電晶體M50的a倍，得到輸出電流為：其中Cox為電晶體單位面積柵氧電容，μ為溝道遷移率，W為電晶體溝道寬度，L為電晶體溝道長度，通過調整兩個差分對的輸入電壓V1和V2，調整Vinwc和Vw，從而調整該電路輸出的類高斯函數的形狀；所需的特定高斯函數為取一些離散的點，通過CADENCE軟體仿真，在公式(2)的指導下調整電路參數，從而使類高斯函數對應的點逼近這些離散的點，最終獲得逼近的類高斯函Iout＝bexp(-((Vx-Vx0)2+(Vy-Vy0)2)/d)。在本實用新型一具體實施例參見圖6、圖7。通過調整兩個差分對的輸入電壓V1和V2，可以調整Vinwc和Vw，從而調整該電路輸出的類高斯函數的形狀，如圖6所示。圖7為b＝40，d＝0.02時的理想高斯函數和調整得到的類高斯函數，在-0.4～0.4範圍內以0.01為步長，對兩條曲線取相同的離散點，分別構成向量A和B，在MATLAB軟體中利用R2＝(A*B)2/A2*B2可計算得到擬合優度為R2＝0.99775，因此，該電路仿真波形與理想高斯函數能夠進行很好的擬合。對於所需的特定高斯函數(b和d為常數)，我們可以取一些離散的點，通過CADENCE軟體仿真，在公式(2)的指導下調整電路參數，從而使類高斯函數對應的點逼近這些離散的點，最終獲得逼近的類高斯函數。例如，在圖7中b＝40，d＝0.02，通過仿真可得類高斯函數產生電路參數為V1＝-0.13V，V2＝0.13V，電路電晶體尺寸如表3所示。由以上的基本電路模塊構成的RBF神經元電路模塊，可以用來產生逼近Iout＝bexp(-((Vx-Vx0)2+(Vy-Vy0)2)/d)(b和d為常數)的類高斯函數。固定V1和V2，改變Vx0和Vy0的值，可以產生形狀固定，中心可變(為(Vx0，Vy0)的類高斯函數；固定Vx0和Vy0，改變V1和V2的值，可以產生中心固定(為(Vx0，Vy0)，形狀可變的類高斯函數。表3管子名稱寬長比(W/L)管子名稱寬長比(W/L)管子名稱寬長比(W/L)M2714/1M36100/1M4430/1M2814/1M37100/1M4530/1M2914/1M38100/1M46100/1M3014/1M39100/1M47100/1M319/1M40100/1M48100/1M329/1M41100/1M49100/1M339/1M42100/1M50100/1M349/1M4330/1M51100/1M35100/1M4430/1以上是本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本實用新型技術方案的範圍時，均屬於本實用新型的保護範圍。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp