[發明專利]神經元仿生電路和神經形態系統

在審

• 申請號: 201811631636.0
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109670585A
• 公開（公告）日: 2019-04-23
• 發明（設計）人: 滿夢華;馬貴蕾;張明亮;劉尚合
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍工程大學
• 主分類號: G06N3/063
• 分類號: G06N3/063;G06N3/06
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所 13120
• 代理人: 秦敏華

本發明屬于仿生電路技術領域，提供一種神經元仿生電路和神經形態仿生系統。所述系統包括神經元監控電路和神經元仿生電路；其中，神經元監控電路包括電壓監測模塊和控制模塊；電壓監測模塊獲取神經元仿生電路輸出的神經元仿生脈沖的電壓信息；控制模塊判斷電壓信息是否滿足目標電壓信息，根據判斷結果向神經元仿生電路輸出控制信號；最后神經元仿生電路根據控制信號輸出目標神經元仿生脈沖。本發明的仿生電路成本小、功耗低，輸出的神經元仿生脈沖更符合生物神經元發放動作電位的動態行為；所述神經元仿生電路輸出的神經元仿生脈沖可以實現對輸入信號的時間編碼，實現神經元仿生脈沖傳遞信息，可以提高信號傳輸電路的抗干擾及抗損傷的能力。

技術領域

本發明屬于仿生電路領域，更具體地說，是涉及一種神經元仿生電路和神經形態系統。

背景技術

生物神經網絡是利用具有模擬電路的超大規模集成電路來模仿生物大腦的神經網絡系統，最終目的是制造一個仿真生物大腦的芯片或電路，也叫做“神經形態芯片”或“神經形態電路”，進而實現“類腦計算”的功能。生物神經網絡的基本特征是“內存與計算單元合二為一”，既有計算功能，又有存儲功能，從根本上解決了馮諾伊曼體系架構的“內存墻”問題。此外，生物神經網絡可以通過與外界交互自主學習，具有高度容錯(容忍大量神經元的死亡而不影響其基本功能)、高度并行性、高度連接性及低功耗等特性。神經元仿生電路是構成神經形態芯片或電路的基本單元，但是，現有的負責信號傳輸的神經元仿生電路，模擬的脈沖特征不符合生物神經元發放動作電位的工作機制。

而且，隨著電子科技的發展，日趨復雜、惡劣的電磁環境與電子設備不斷升高的電磁敏感度之間形成了一對矛盾問題，在電磁環境中信號傳輸電路的抗干擾及抗損傷的能力越來越差，使傳統電磁防護手段面臨著新的挑戰，威脅著電子裝備的可靠性與適應性。

此外，神經元產生的動作電位具有不確定性，神經電生理實驗和計算神經仿真研究表明，神經元或神經元群的不規則脈沖發放與相應的刺激輸入之間存在密切聯系，神經信息就編碼在神經元發放的動作電位序列之中。時間編碼即是神經信息編碼的一種編碼方式，通過神經元發放的動作電位序列中相鄰動作電位時間間隔的變化來反映神經元之間的信息量的傳遞，這種隱藏的信息表達方法使得信息得以在外界干擾環境下可靠傳遞。

發明內容

鑒于此，本發明提供一種神經元仿生電路和神經形態系統，旨在解決現有技術中信號傳輸電路的抗干擾和抗損傷的能力差，以及負責信號傳輸的神經元仿生電路模擬的脈沖特征不符合生物神經元發放動作電位的動態行為的問題。

本發明實施例的第一方面提供了一種神經元仿生電路，包括：可控電流源、充放電模塊、鈉通道模塊和鉀通道模塊；

所述可控電流源，與所述充放電模塊連接，用于接收外部信號源的外部脈沖，并根據所述外部脈沖向所述充放電模塊輸出電流信號；

所述充放電模塊，分別與所述鈉通道模塊和所述鉀通道模塊并聯，用于根據所述電流信號充電并形成膜電壓；

所述鈉通道模塊，用于在所述膜電壓大于第一預設電壓時輸出鈉通道電流；

所述鉀通道模塊，用于根據所述電流信號和所述鈉通道電流充電，在充電電壓大于第二預設電壓時輸出鉀通道電流；

所述充放電模塊還根據所述電流信號和所述鈉通道電流充電，以及根據所述鉀通道電流放電，并輸出所述外部脈沖的神經元仿生脈沖。

可選的，所述可控電流源包括：輸入端、輸出端、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第一電容、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第二電容和運放器；

所述可控電流源的輸入端與所述外部信號源連接，所述可控電流源的輸出端與所述充放電模塊連接；

所述第一電阻的第一端與所述可控電流源的輸入端連接，所述第一電阻的第二端分別與所述運放器的正相輸入端、所述第二電阻的第一端和所述第一電容的第一端連接；