[发明专利]一种基于电荷泵的神经元电路

说明书

本发明属于神经元器件技术领域，具体涉及一种基于电荷泵的神经元电路。本发明的神经元电路包括：积分重置电路、电压比较电路和脉冲输出电路；积分重置电路以外部电路的电流作为输入，首先把经过突触调制的电流脉冲信号转换成电压脉冲，再利用电荷泵实现电压脉冲信号的累加，进而实现积分，并将积分电压作为输出；电压比较电路将所得积分电压与参考电压进行比较，并将电压比较结果输出给脉冲输出电路；当积分电压大于参考电压，脉冲输出电路向外部电路输出神经脉冲信号，同时把反馈信号发送给积分重置电路，使积分重置电路的积分电容重置电压。本发明提供的神经元电路减小了所用到的电容大小，具有易集成的特点。

技术领域

本发明属于神经元器件技术领域，具体涉及一种基于电荷泵的神经元器件。

背景技术

随着摩尔定律的脚步逐步放缓，CMOS器件的微缩速度越来越慢，芯片计算性能的提升已经不足以应对人工智能发展带来的计算需求的增长。同时，功耗的过快增加也成为限制芯片集成度提高的重要因素。长期以来，人脑一直给人们提供着灵感，因为它从某种程度上以有效的生物能量支持我们的计算能力。受人脑的低功耗和快速计算特点启发的神经形态计算或许会是超大规模机器和人工智能应用未来的基石。

但是，目前神经形态计算系统在模仿人脑进行信息处理时，在规模方面还有极大的局限性。人脑的基本组成单元是神经元，数量达到1011个，每个神经元通过103~104个突触与其他神经元相连，构成复杂的神经网络。人脑突触的数量高达1015个，其权值在外界信号作用下动态调整其连接与强度，从而完成学习与记忆功能。因此，要构建与人脑功能接近的神经计算系统，首先要具有相当数量的神经元和突触。目前，突触器件主要依靠SRAM或阻变型存储器件来实现，而神经元一般通过电路来实现。在芯片面积有限的情况下，减小突触器件和神经元电路的面积成为必然选择。本发明主要针对神经元电路的高密度集成。

发明内容

本发明旨在解决现有神经元由于所采用的积分电容大带来的集成度不高的问题，而提供一种高集成度的神经元器件。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于电荷泵的神经元电路，包括两种可能的积分重置电路、电压比较电路和脉冲输出电路；其中：

所述的积分重置电路以外部电路的电流作为输入，首先把经过突触调制的电流脉冲信号转换成电压脉冲，再利用电荷泵实现电压脉冲信号的累加，进而实现积分，并将积分电压输出给电压比较电路。

积分重置电路由一个充当电阻的元件（可以是电阻或晶体管）、两个单向导通元件（可以是二极管或晶体管）、两个电容与一个开关元件（可以是开关或晶体管）构成。其中，充当电阻的元件第一端连接到电流输入端，第二端接地。电容第一端连接到电流输入端，第二端连接到第一个单向导通元件第二端与第二个单向导通元件第一端。第一个单向导通元件第一端连接到直流电压输入。第二个单向导通元件第二端连接到电容第一端与电压比较电路。电容第二端接地。开关元件与所述电容并联，且控制端连接到脉冲输出电路。电容与的两个单向导通元件构成电荷泵结构。

在第一种积分重置电路中，电阻一端连接到电流输入端，另一端接地。第一个二极管正极连接到直流电压输入，其负极连接到第二个二极管正极。第二个二极管负极连接到电压比较电路。开关与电容并联，且控制端连接到脉冲输出电路。

在第二种积分重置电路中，第一个N沟道晶体管漏极与栅极相连作为一端连接到电流输入端，其源极接地。第二个N沟道晶体管漏极与栅极相连作为一端连接到直流电压输入。第三个N沟道晶体管源极连接到电压比较电路，其漏极与栅极相连作为一端连接到第二个N沟道晶体管源极。第四个N沟道晶体管漏极和源极分别连接到电容两端，其栅极连接到脉冲输出电路。第一个N沟道晶体管的作用是充当小电阻，第二、第三个N沟道晶体管单向导通电流，第四个N沟道晶体管充当开关器件。

所述电压比较电路以积分重置电路输出的积分电压作为输入，将所得积分电压与参考电压进行比较，并将电压比较结果输出给脉冲输出电路。