[0001] 本实用新型涉及神经电路技术领域，具体涉及一种超低功耗类神经电路。

[0002] 视觉系统是一个复杂的装置，它能够处理眼睛收集到的复杂光信号，处理这些信号的时空模式，并提供关于一个快速变化的世界的信息。这对生物体的生存至关重要。视觉回路为适应环境不断进化形成的，并在发展过程中以一种依赖经验的方式加以完善。因此，该系统的功能与自然环境中常见的视觉刺激特性密切相关。人们对视觉处理的了解大多来自使用“人工”刺激的研究，包括简单刺激的参数集(如光点或正弦光栅)和简单统计的刺激总体(例如，白噪声)。

[0003] 如图1所示，光信号透过晶状体将投影投射到视网膜表面。视网膜表面的节细胞和视锥细胞等受到光的刺激而产生神经信号的触发。视觉神经信号通过视神经传递到下丘脑和大脑皮层的视觉感受区域，从而实现了视觉的感知。近几十年来，人们对视觉皮层细胞的定向和方向选择性机制进行了深入的研究。为了更好的测试视觉神经细胞的机制，设计良好的简单刺激是解释感觉处理的神经基础的关键。在视觉系统中，简单的光斑或光柱等刺激揭示了视网膜和丘脑神经元的感受野(RF)结构和皮层神经元的定向选择性。这些刺激的一个主要优点是易于参数化。因此，这种刺激有助于确定神经元响应对特定刺激参数的依赖关系。

[0004] 视觉皮层的主要感觉输入来自外侧膝状体核。这里的细胞对视觉刺激的方向或运动方向没有选择性，或仅有偏倚。然而，皮层细胞的输出对这两个参数都有很强的选择性。为了验证方向对于视觉细胞的影响，猫视觉皮层(第17区)的神经元被用于进行细胞内记录，以比较细胞输出信号与细胞接收信号的定向和方向选择性。猫的视觉受到光点移动方向的视觉刺激，会引起视觉细胞中突触后电位(PSPs)的响应。同时根据响应期间峰值产生的数量以及形态，运动方向与视觉神经之间的联系可以被推测出。方向和方向选择是由移动杆引起的响应来确定的。通过刺激，动作电位的数量及形态变化可以观察到。

[0005] 现有技术采用的是Axon-Hillock类神经电路，如图2(a)所示。该电路没有比较器，输入的类神经光电信号转换为电压信号后，直接通过inv1和inv2两个反相器输出。整个电路为闭环电路，功耗较大，不适于大规模集成电路使用。实用新型内容

[0006] [技术问题]

[0007] 现有技术的类神经电路没有比较器，输入的类神经光电信号转换为电压信号后，直接通过两个反相器输出，整个电路为闭环电路，功耗较大，不适于大规模集成电路使用。

[0008] [技术方案]

[0009] 本实用新型提供一种超低功耗类神经电路，包括：光电接收器、放大器、镜像电流源的比较器；所述光电接收器、放大器、镜像电流源的比较器级联，放大器、镜像电流源的比较器具有公共部分；放大器将光电接收器的输入信号进行放大，光电接收器用于产生类神经信号，放大器用于将输入的类神经信号放大；镜像电流源的比较器为双端输入单端输出结构；当膜电压Vmem高于阈值电压Vthr时，镜像电流源的比较器输出端电压Vc为低电平，反之，为高电平。

[0010] 在本实用新型的一种实施方式中，所述镜像电流源的比较器包括四个MOS器件M0、M1、M3、M4；MOS器件M0的漏极与MOS器件M3的漏极连接；MOS器件M0的源极与MOS器件M1的源极连接，MOS器件M1的漏极与MOS器件M4的漏极连接，MOS器件M3的栅极与MOS器件M4的栅极连接，MOS器件M3的栅极与MOS器件M3的漏极连接；MOS器件M3的源极与MOS器件M4的源极分别与电源电压连接，MOS器件M1的栅极为负端输入，并与膜电压Vmem的输入端连接。

[0011] 在本实用新型的一种实施方式中，所述放大器包括四个MOS器件M1、M4、M5、M6，其中，M1、M4是放大器与镜像电流源的比较器的公共部分；MOS器件M5的栅极与MOS器件M5的栅极连接；MOS器件M1、M4的漏极之间与MOS器件M5、M6的栅极之间连接，并将MOS器件M1、M4的漏极之间的输出作为比较器输出端电压Vc，MOS器件M5、M6的漏极之间连接输出端电压Vout。

[0012] 在本实用新型的一种实施方式中，还包括尾电流源电路，包括MOS器件M2；MOS器件M0、M1的源极之间与MOS器件M2的漏极连接。

[0013] 在本实用新型的一种实施方式中，还包括支路电流源电路，包括MOS器件M7；MOS器件M7的漏极与膜电压Vmem的输入端连接，并膜电压Vmem的输入端设有输入电流端Iin，Iin与电源电压连接；MOS器件M7的栅极与MOS器件M2的栅极连接，MOS器件M7的栅极还与输出端电压Vout连接。

[0014] 在本实用新型的一种实施方式中，还包括反馈电容Cfb，反馈电容Cfb的一端与MOS器件M7的漏极连接，反馈电容Cfb的另一端与MOS器件M7的栅极连接。

[0015] 在本实用新型的一种实施方式中，MOS器件M2的偏置电压由输出Vout提供；当无输入电流时，Vout为0，M2无静态电流；当有电流输入时，MOS器件M2偏置电压为0.5mV[0016] 在本实用新型的一种实施方式中，MOS器件M0栅极为正端输入，MOS器件M0的栅极与阈值电压Vthr连接，当膜电压Vmem高于阈值电压Vthr时，比较器输出端电压Vc为低电平，反之，为高电平。

[0017] [有益效果]

[0018] 本实用新型的电路由两个反相器组成的放大器与五个晶体管组成的比较器相结合，在维持原有功能的同时，有效地减少了电路中的支路数量，进而降低类神经模块的功耗。

[0019] 本实用新型改变了传统尾电流的偏置一般由偏置电压VB提供产生功耗比较大的问题，采用实线所示的M2，其控制由输出电压控制，明显降低了功耗，通过仿真可知，随着输入电流的增加，电流对反馈电容的充电速度增加，明显降低了膜电压的充电时间tH。膜电压迅速达到阈值电压，使输出端电压转换并开启重置电流。路的功率随着输入电流的增加而成上升趋势。本实用新型的总功率在输入电流为5pA时最小，为35pW，与功率相反，一个尖峰信号所消耗的能量随输入电流的增加而降低，趋向于3fJ。此外，本实用新型随着电源电压Vdd的增加，发射频率降低，其变化范围为1.5％。温度越高，发射频率整体上呈上升趋势，在27-41℃的范围内，发射频率最大偏移量为6％。

[0027] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

[0028] 实施例1

[0029] 为了模拟视网膜细胞受到光照时产生的神经信号，本实施例提供了基于视网膜细胞的类神经发射器。该发射器中的光敏二极管可以根据光照强度产生一定的电流。该电流作为类神经电路的输入信号，并诱发类神经电路产生具有一定发射速率的尖峰信号。

[0030] 本实施例的类神经信号发生电路如图2所示。图2(a)所示为原始的Axon-Hillock电路，图2(b)为本实施例的电路，在原始Axon-Hillock结构的基础上增加了可设置阈值电压的比较器。M1和M4两个MOS管组成的结构既可以看做是放大器中的第一级反相器，同时也可以看做是阈值电压比较器中的差分电路的一半。当M1和M4用作比较器时，M0-4M0-M4组成了具有镜像电流源的比较器结构。该结构为双端输入单端输出。M0栅极为正端输入，并且作为参考阈值电压。M1的栅极为负端输入，并且作为膜电压输入端。当膜电压Vmem高于阈值电压Vthr时，比较器输出端电压Vc为低电平，反之，为高电平。当M1和M3作为放大器的第一级反相器时，起作用与图中的第一级反相器相同。该反相器的输出Vc可以有效控制第二级反相器。当膜电压Vmem高于阈值电压，第一级反相器输出端Vc为低电平。该低电平导致第二级反相器的输出端(即，类神经模块输出)变为高电平。不同于图中设计中的放大器与比较器相互独立的结构，本实用新型由两个反相器组成的放大器与五个晶体管组成的比较器相结合，在维持原有功能的同时，有效地减少了电路中的支路数量，进而降低类神经模块的功耗。

[0031] 此外，为减小直流功耗，降低生成尖峰信号所需要的能量，本实施例的类神经单元在图中结构的基础上进行了简化处理。第一步是移除膜电容Cmem，采用比较器的负半边(即第一级反相器)中的寄生电容作为膜电容的一部分。另外，当类神经电路处于初始状态时，输出端电压Vout为0。此时，反馈电容Cfb可以看做一端接地。因此，Cfb也可以作为膜电容的一部分。第二步是省去钠、钾离子电流源和重置电流源。由于Vdd(M3，M4，M5和Iin上方的短横线)采用的是0.5V的电源电压，输出端电压Vout的最高值以及重置电流开关管M7的栅极电压同样为0.5V。通过合理的设置M7的宽长比，M7宽长比在1:1至100:1范围内，M7既可以看做是开关管，又可以看做是用于产生重置电流Ir的压控电流源。省去多个支路电流源之后，类神经电路的直流功耗显著降低。

[0032] 在比较器尾电流源的设计上，为节省静态功耗，也做了相关处理。通常情况下，尾电流源M2’的偏置电压有其他电压基准源Vb提供。Vthr的电压偏置同样一直使M0导通。所以，即便输入电流Iin为0，M2’、M0、M3这一条支路仍然有DC电流通过。在静息状态下，类神经电路仍然有大量功率损耗。为解决此问题，M2的偏置电压由输出Vout提供。当无输入电流时，Vout为0，M2无静态电流。当有电流输入时，M2偏置电压为0.5mV。

[0033] 本实用新型的类神经电路工作过程如下：当无光照时，代表光敏二极管的电流源Iin产生的输入电流Iin为0。此时，膜电压Vmem为0，低于阈值电压Vthr，导致输出电压Vout也为0。膜电容无充电电流，同时M7截止，不会产生重置电流。当有光照时，光敏二极管产生恒定的直流电流Iin。如图3所示，反馈电容Cfb受到Iin的充电，使膜电压Vmem随之升高。在Vmem达到阈值电压之前，类神经电路的输出端电压一直为0电位。当Vmem升高至阈值电压Vthr时，第一级反相器的输出Vc迅速为低电平，第二级反相器的输出Vout迅速从0变为Vdd。同时，通过正反馈电容Vfb，Vout使膜电压Vmem上拉至高于Vout的电位，以保持比较器和反相器的稳定状态。
随着Vout的升高，重置电流源M7开启，并产生重置电流Ir。因为重置电流Ir大于输入电流Iin，膜电压Vmem逐渐降低至阈值电压Vthr。因而，比较器和类脑神经电路的输出电压复位至初始状态。重置电流源重新关闭，反馈电容再次接受输入电流的充电，类神经电路重新产生下一个尖峰信号。从图中可以看出，静息时间TH由输入电流、反馈电容和阈值电压共同控制。输入电流越大，其静息时间越小。反馈电容越大，静息时间越大。阈值电压越低，静息时间越小。尖峰宽度受输入电流与重置电流的共同控制。两者之间的电流差越大，尖峰宽度越小。

[0034] 当输入电流为0时，类神经电路无尖峰信号产生。由于反馈电容无任何充电电流，膜电压Vmem为0。因此，尾电流源M2偏置电压为0。比较器因不接地而无法工作。此时，除M3和M7有微弱漏电流之外，类神经电路中的其他MOS管都无静态电流。所以，当无输入电流时，电路的静态功耗最低，为3pW。当输入电流不为0时，膜电压Vmem逐渐上升，尾电流源M2开启并为比较器提供电流。在膜电压与阈值电压相同的时间点，比较器的两条支路全部导通，并各自分得M2一半的漏电流。此时的类神经电路中除M6和M9之外全部有电流通过。因此，该状态下的类神经电路功耗最大。

[0035] 本实用新型仿真了在不同的输入电流下，类神经电路的功耗以及每发射一次尖峰信号所消耗的能量。图4记录了输入电流从1pA到150pA的范围内，类神经电路的总功率和一个尖峰信号所消耗能量的变化趋势。

[0036] 图4(a)展示了电路功率和尖峰功耗与输入电流的关系。当光敏二极管产生输入电流时，类神经电路的功率P为电源电压Vdd和DC电流的乘积。E是指每次发射的尖峰信号所消耗的能量。随着输入电流Iin的增加，对反馈电容的充电速度加快，类神经电路中状态变化的频率增加。膜电压与阈值电压相同的时间点比例增多，所以电路的功率随着输入电流的增加而成上升趋势。总功率在输入电流为5pA时最小，为35pW。与功率相反，一个尖峰信号所消耗的能量随输入电流的增加而降低，趋向于3fJ。这是因为，尖峰信号的发射频率随着输入电流的增加而加快。一个尖峰信号所占用的周期时间降低。在周期时间的中和下，即使电路功率增加，但是一个尖峰信号所消耗的能量却降低。

[0037] 图4(b)展示了发射频率与输入电流的关系。发射频频率与输入电流呈正相关。因为随着输入电流的增加，电流对反馈电容的充电速度增加，明显降低了膜电压的充电时间tH。膜电压迅速达到阈值电压，使输出端电压转换并开启重置电流。

[0038] 如图5所示，针对比较器尾电流源的改进，不同方案分别进行仿真并对比。M2构成的尾电流源由输出端的反馈电压提供电压偏置。M2’构成的尾电流源由单独电压源提供电压偏置。通过对比发现，采用M2尾电流源显著降低了电路的功率以及每个尖峰发射所需的功耗。

[0039] 为验证电源电压Vdd和环境温度对法身频率的影响，类神经电路在反馈电容为5fF，输入电流为40pA的条件下仿真。如图6(a)所示，随着电源电压Vdd的增加，发射频率降低，其变化范围为1.5％。发射频率随温度变化如图6(b)所示。温度越高，发射频率整体上呈上升趋势，在27-41℃的范围内，发射频率最大偏移量为6％。

[0040] 图7展示了类神经电路在Virtuoso中的瞬态仿真结果。Iin无电流输入时，电流不对反馈电容充电，所以Vmem一直保持0电位。随当电流为3pA时，Vmem开始充电，并且在重置电流的控制下放电。Vout产生具有一定发射频率的尖峰信号。

[0041] 以上表示，本实用新型设计在低功率和每个尖峰消耗的能量方面具有更优异的性能。所设计的类神经电路用于模拟视网膜信号受光照后产生的频率信息。其在机器学习、类脑计算中同样拥有更重要的应用。

[0042] 本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡是在本实用新型构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本实用新型的保护范围之内。