数模混合神经元电路的制作方法

本实用新型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（intrinsicplasticity），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。

技术实现要素：

本实用新型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，本实用新型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rl并联，所述钠通道模块和所述钾通道模块与所述泄放电阻rl并联。

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。

进一步的技术方案在于：所述数字电路模块还包括显示模块，所述显示模块与所述微控制器模块的信号输出端连接，用于显示当前数模混合神经元电路中可重构电容阵列的容值。

进一步的技术方案在于：所述钠通道模块包括三极管q1、三极管q2、电阻r2、电阻r4以及电压源vna，所述三极管q1的基极分为两路，第一路与所述可重构电容阵列的c+端连接，第二路与三极管q2集电极连接，所述三极管q1的发射极经电阻r4接地，所述三极管q1的集电极与所述三极管q2的基极连接，所述三极管q2的发射极经电阻r2与所述电压源vna的正极连接，所述电压源vna的负极接地，所述三极管q2的集电极为所述钠通道模块的一个接线端，该接线端与所述钾通道模块的一个接线端连接。

进一步的技术方案在于：所述钾通道模块包括三极管q3、电阻rr、电阻r3、电容c1以及电压源vk，所述电阻r3的一端分为三路，第一路与所述钠通道模块的一个接线端连接，第二路与电阻rr的一端连接，第三路与所述神经元电路的输出端连接，所述电阻r3的另一端与所述三极管q3的集电极连接，所述三极管q3的发射极与所述电压源vk的负极连接，所述电压源vk的正极接地，所述三极管q3的基极分为两路，第一路与电阻rr的另一端连接，第二路经电容c1接地；

可重构电容阵列接收外部输入电流信号iext，其两端的膜电压vmem不断升高；当膜电压vmem大于三极管q1的开启电压时，三极管q1、三极管q2开启，三极管q2集电极输出钠通道电流，对可重构电容阵列进行快速充电，膜电位vmem迅速升高，该过程用于模拟生物神经元钠离子通道开启，神经元细胞膜外钠离子迅速内流的过程；

钠通道电流对可重构电容阵列快速充电的同时，对钾通道模块中的电容c1缓慢充电，电容c1电压vr缓慢上升，当所述vr值大于三极管q3的开启电压时，三极管q3打开，可重构电容阵列通过电阻r3、三极管q3支路放电，三极管q3发射极输出钾通道电流，膜电压vmem迅速下降，该过程用于模拟生物神经元钾离子通道开启，神经元细胞膜内钾离子迅速外流而使膜电压vmem迅速下降的过程，其中vk为模拟钾通道平衡电压的电压源，该电压源值越大，q3开启后，q3发射极输出的钾通道电流就越大，膜电压vmem下降的速度也越大；

当膜电压vmem下降到小于三极管q1的开启电压时，三极管q1截止，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，该过程用于模拟神经元细胞膜上钠离子通道关闭的过程；

当膜电压vmem小于静息电位时，三极管q3若仍然开启，膜电压vmem继续下降，当膜电压vmem下降到小于三极管q3的开启电压时，三极管q3截止，所述可重构电容阵列停止通过钾通道模块进行放电，外部输入电流信号iext继续对可重构电容阵列充电，从而使膜电压vmem恢复到静息电位，从而完成一个动作脉冲的产生过程。

优选的，所述微控制器模块包括arm或单片机。

优选的，所述显示模块为lcd显示模块。

进一步的技术方案在于：所述可重构电容阵列包括20个继电器以及20个电容，所述可重构电容阵列的c+端分为若干路，第1路经100pf电容与继电器k11中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k11中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第2路经1nf电容与继电器k21中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k21中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第3路经0.01uf电容与继电器k31中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k31中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第4路经0.1uf电容与继电器k41中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k41中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第5路经1uf电容与继电器k51中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k51中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；

第6路经200pf电容与继电器k12中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k12中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第7路经2nf电容与继电器k22中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k22中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第8路经0.02uf电容与继电器k32中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k32中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第9路经0.2uf电容与继电器k42中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k42中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第10路经2uf电容与继电器k52中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k52中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；

第11路经300pf电容与继电器k13中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k13中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第12路经3nf电容与继电器k23中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k23中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第13路经0.03uf电容与继电器k33中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k33中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第14路经0.3uf电容与继电器k43中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k43中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第15路经3uf电容与继电器k53中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k53中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；

第16路经400pf电容与继电器k14中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k14中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第17路经4nf电容与继电器k24中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k24中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第18路经0.04uf电容与继电器k34中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k34中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第19路经0.4uf电容与继电器k44中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k44中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第20路经4uf电容与继电器k54中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k54中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述电路为实现神经形态系统提供基础单元，能够模拟具有内部可塑机制的神经元电路，通过微控制模块控制可重构电容阵列中的继电器，可以实现神经元膜电容的精确在线调节，复现生物神经元不同的放电形式，保持放电频率的动态平衡。所述数模混合神经元电路包括模拟电路部分和数字电路部分，一方面模拟电路部分保证了神经信号处理的实时性及低功耗性，另一方面，数字电路部分可实现软件定义的不同内部可塑性规则，例如电压门控电导规则、指数分布内部可塑性学习规则、wei-bull分布内部可塑性规则、放电时间间隔可塑性（isi）等等，所述微控制器模块监测所述数模混合神经元电路的膜电压，根据微控制器中软件定义的内部可塑性规则，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行为，具有内部可塑性特征，为实现类脑神经网络提供基础单元，更符合生物实际。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例所述神经元电路的原理图；

图2是本实用新型实施例所述神经元电路中可重构电容阵列的原理图；

图3是本实用新型实施例神经元电路输出的一个动作脉冲示意图；

图4是本实用新型实施例所述可重构电容阵列电容值为0.6uf时所述神经元电路产生的动作脉冲图；

图5是本实用新型实施例所述可重构电容阵列电容值为0.1uf时所述神经元电路产生的动作脉冲图；

图6是本实用新型实施例所述可重构电容阵列电容值为1.5uf时所述神经元电路产生的动作脉冲图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

总体的，本实用新型实施例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rl并联，所述钠通道模块和所述钾通道模块与所述泄放电阻rl并联；

总体的，可重构电容阵列接收外部输入电流信号iext，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c1的电压大于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iext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。

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。所述数字电路模块还包括显示模块，所述显示模块与所述微控制器模块的信号输出端连接，用于显示当前数模混合神经元电路中可重构电容阵列的容值。

可重构电容阵列的控制端是指可重构电容阵列中继电器的控制端，微控制器通过控制继电器的开关和闭合，来实现可重构电容阵列容值的调节。

如图2所示，所述可重构电容阵列包括20个继电器以及20个电容，所述可重构电容阵列的c+端分为若干路，第1路经100pf电容与继电器k11中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k11中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第2路经1nf电容与继电器k21中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k21中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第3路经0.01uf电容与继电器k31中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k31中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第4路经0.1uf电容与继电器k41中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k41中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第5路经1uf电容与继电器k51中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k51中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；

第6路经200pf电容与继电器k12中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k12中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第7路经2nf电容与继电器k22中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k22中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第8路经0.02uf电容与继电器k32中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k32中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第9路经0.2uf电容与继电器k42中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k42中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第10路经2uf电容与继电器k52中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k52中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；

第11路经300pf电容与继电器k13中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k13中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第12路经3nf电容与继电器k23中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k23中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第13路经0.03uf电容与继电器k33中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k33中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第14路经0.3uf电容与继电器k43中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k43中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第15路经3uf电容与继电器k53中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k53中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；

第16路经400pf电容与继电器k14中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k14中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第17路经4nf电容与继电器k24中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k24中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第18路经0.04uf电容与继电器k34中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k34中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第19路经0.4uf电容与继电器k44中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k44中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接；第20路经4uf电容与继电器k54中单刀双掷开关的公共接线端连接，继电器k54中单刀双掷开关的另外两个接线端分别与所述可重构电容阵列的c+端以及c-端连接。

如图1所示，所述钠通道模块包括三极管q1、三极管q2、电阻r2、电阻r4以及电压源vna，所述三极管q1的基极分为两路，第一路与所述可重构电容阵列的c+端连接，第二路与三极管q2集电极连接，所述三极管q1的发射极经电阻r4接地，所述三极管q1的集电极与所述三极管q2的基极连接，所述三极管q2的发射极经电阻r2与所述电压源vna的正极连接，所述电压源vna的负极接地，所述三极管q2的集电极为所述钠通道模块的一个接线端，该接线端与所述钾通道模块的一个接线端连接。

如图1所示，所述钾通道模块包括三极管q3、电阻rr电阻r3、电容c1以及电压源vk，所述电阻r3的一端分为三路，第一路与所述钠通道模块的一个接线端连接，第二路与电阻rr的一端连接，第三路与所述神经元电路的输出端连接，所述电阻r3的另一端与所述三极管q3的集电极连接，所述三极管q3的发射极与所述电压源vk的负极连接，所述电压源vk的正极接地，所述三极管q3的基极分为两路，第一路与电阻rr的另一端连接，第二路经电容c1接地；

可重构电容阵列接收外部输入电流信号iext，其两端的膜电压vmem不断升高；当膜电压vmem大于q1的开启电压时，三极管q1和三极管q2开启，三极管q2集电极输出钠通道电流，对可重构电容阵列进行快速充电，膜电位vmem迅速升高，该过程模拟了生物神经元钠离子通道开启，神经元细胞膜外钠离子迅速内流的过程，因此称由三极管q1、三极管q2、电阻r4、电阻r2和电压源vna构成的支路为钠通道模块。其中vna为模拟钠通道平衡电压的电压源，该电压源值越大，q2开启后q2集电极输出的电流就越大，膜电压vmem升高的速度也就越快。

钠通道电流对可重构电容阵列快速充电的同时，对钾通道模块的电容c1缓慢充电，电容c1电压vr缓慢上升，当vr值大于三极管q3的开启电压时，q3打开，可重构电容阵列通过电阻r3、三极管q3支路放电，三极管q3发射极输出钾通道电流，膜电压vmem迅速下降。该过程模拟了生物神经元钾离子通道开启，神经元细胞膜内钾离子迅速外流而使膜电压vmem迅速下降的过程，因此称由电阻r3、电阻rr、三极管q3、电容c1、电压源vk构成的支路为钾通道模块。其中vk为模拟钾通道平衡电压的电压源，该电压源值越大，三极管q3开启后，三极管q3发射极输出的钾通道电流就越大，膜电压vmem下降的速度也越大。

当膜电压vmem下降到小于三极管q1的开启电压时，三极管q1截止，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，该过程模拟了神经元细胞膜上钠离子通道关闭的过程；

当膜电压vmem小于静息电位，三极管q3若仍然开启，膜电压vmem继续下降，当vmem下降到小于三极管q3的开启电压时，三极管q3截止，所述可重构电容阵列停止通过钾通道模块进行放电，外部输入电流信号iext继续对可重构电容阵列充电，从而使膜电压vmem恢复到静息电位，从而完成一个动作脉冲的产生过程。所述神经元电路输出的一个动作脉冲波形示意图，如图3所示。

进一步的，微控制器模块可以是arm或单片机等，微控制器模块用来监测所述神经元电路的动作脉冲情况，根据需要通过移位寄存器来控制可重构电容阵列中继电器的开断，来调节可重构电容阵的容值，进而实现不同的神经元放电行为。不同的可重构电容阵列取值下，所述神经元电路产生的动作脉冲形式如图4-图6所示。微控制器模块还与lcd显示模块相连，用于显示当前数模混合神经元电路中可重构电容阵列的容值。

所述数模混合神经元电路包括模拟电路部分和数字电路部分，一方面模拟电路部分保证了神经元膜电压变化的实时性及低功耗性，另一方面，数字电路部分可以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，为实现神经形态工程系统提供基础单元，其工作原理模拟了真实神经元的各种放电行为，更符合生物实际。