一种阈值转换忆阻器仿真模型的电路的制作方法

1.本实用新型涉及仿生人工神经网络研究以及人工智能领域，尤其涉及一种阈值转换忆阻器仿真模型的电路。


背景技术：

2.随着仿生人工神经网络研究以及人工智能领域的发展，忆阻器作为第四种基本电路元件所表现出的记忆和存储信息的能力，使得其在神经网络的研究中扮演重要角色。人工神经网络是人脑神经网络的一种简化、抽象和模拟形式，这两种神经网络存在一些重要特性的一致性。由于人工神经网络不是大脑神经网络的真实写照，两者之间存在着很大信息上的差别。例如，生物神经元传递的信息是脉冲,而人工神经元传递的信息是模拟电压。在与生物神经元的相似度方面，整合
‑
激发神经模型(if)具有动作电位延迟、行为独立的阈值、并且具有静息和周期脉冲的双稳态。应用if模型的庞大的脉冲神经网络对于每一个神经单元的信息传递的能量损耗、复杂程度、传递速度等需求相应提高。如何确保忆阻器在电路中可以实现神经元间的信息传递和存储；如何确保在庞大的神经网络电路中，电路尽可能地集成化、低功耗、高速度
……
这些都是亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种阈值转换忆阻器仿真模型的电路。在整合
‑
激发(if)神经元电路中应用了双阈值转换忆阻器(tsm)，tsm可以看做是一种非线性的电阻，其在低电压和高电压下的电阻值差距非常大。一个理想的tsm要具有较大的开态电流，较小的关态电流，快的响应速度，较大的选择比，出色的循环耐久性和均一性。在if电路仿真过程中，我们设计了tsm的仿真模型，以便更加方便、高效、快速的进行仿真操作。本设计的tsm模型仅采用运算放大器、滞回比较器、压控开关和电阻，电路设计简单，成本较低，仿真速度快、仿真文件小、可靠性高，高效地解决了功耗和存储的问题，同时也可以不仅限于传统tsm器件电气特性。
4.本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
5.本实用新型包括第一电阻至第七电阻、第一电源至第五电源、第一放大器、第二放大器和压控开关，所述压控开关的中心端与第三电阻的第一端连接，并作为所述阈值转换忆阻器仿真模型电路的输入端，所述第三电阻的第二端同时与第四电阻的第一端和第二放大器的输入端连接，所述第四电阻的第二端同时与第一电源至第五电源的负极和压控开关的第一端连接，压控开关的第二端与第五电阻的第一端连接，并作为所述阈值转换忆阻器仿真模型电路的输出端，所述第五电阻的第二端同时与第二放大器的负极和第六电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端同时与第二放大器的输出端和第一电阻的第一端连接，所述第四电源和第五电源分别与第二放大器的第一电源端和第二电源端连接，第一电阻的第二端同时与第二电阻的第一端和第一放大器的输入端连接，第二电阻的第二端同时与压控开关的第三端和第一放大器的输出端连接，第二电源和第三电源的正极与第一放大器的
第一电源端和第二电源端连接，第一放大器的负极与第七电阻的第一端连接，第七电阻的第二端与第一电源的正极连接。
6.本实用新型的有益效果在于：
7.本实用新型是一种阈值转换忆阻器仿真模型的电路，与现有技术相比，本实用新型电路仅含有运算放大器、滞回比较器、压控开关和电阻。巧妙地利用了滞回比较器功能，不仅满足tsm实际器件阈值设置需求，还可以通过参数调节实现三种不同情况下的阈值电压设置。在用于if神经元电路测试中，高度匹配类突触脉冲信号输出仿真，得到了稳定、连续的脉冲信号输出，该tsm模型仿真不仅仅限于if电路使用，适用于所有需要tsm器件特性的仿真电路。同时，该模型实现了电路设计简单，成本低，仿真速度快、仿真文件小、可靠性高，高效等特性。
附图说明
8.图1是tsm模型的电路原理图；
9.图2是tsm的电学性能图；
10.图2(a)tsm模型测试电路图；图2(b)滞回比较器模块输入输出关系；图2(c)差分放大器模块输入输出关系；图2(d)tsm电流电压关系；
11.图3是应用了tsm的if电路测试原理图；
12.图4是应用了tsm模型的if电路电学特性图；
13.图4(a)if电路中tsm两端电压与时间关系(上)if电路中电源连续方波电压与时间关系(下)；图4(b)tsm阻态阻值与时间关系图；图4(c)tsm类突触脉冲输出特性图。
具体实施方式
14.下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
15.如图1所示：本实用新型包括第一电阻r1至第七电阻r7、第一电源src1至第五电源src5、第一放大器x1、第二放大器x2和压控开关switchv1，所述压控开关switchv1的中心端与第三电阻r3的第一端连接，并作为所述阈值转换忆阻器仿真模型电路的输入端，所述第三电阻r3的第二端同时与第四电阻r4的第一端和第二放大器x2的输入端连接，所述第四电阻r4的第二端同时与第一电源src1至第五电源src5的负极和压控开关switchv1的第一端连接，压控开关switchv1的第二端与第五电阻r5的第一端连接，并作为所述阈值转换忆阻器仿真模型电路的输出端，所述第五电阻r5的第二端同时与第二放大器x2的负极和第六电阻r6的第一端连接，所述第六电阻r6的第二端同时与第二放大器x2的输出端和第一电阻r1的第一端连接，所述第四电源src4和第五电源src5分别与第二放大器x2的第一电源端和第二电源端连接，第一电阻r1的第二端同时与第二电阻r2的第一端和第一放大器x1的输入端连接，第二电阻r2的第二端同时与压控开关switchv1的第三端和第一放大器x1的输出端连接，第二电源src2和第三电源src3的正极与第一放大器x1的第一电源端和第二电源端连接，第一放大器x1的负极与第七电阻r7的第一端连接，第七电阻r7的第二端与第一电源src1的正极连接。
16.包括tsm模型电路原理，tsm阈值电压计算、调节，以及阈值电阻计算、调节三个主要方面。
17.本电路的创新之处是：采用滞回比较器和压控开关实现了tsm的阈值电压、高/低组态阻值调节。仅仅需要调节简单的参数，包括电阻比值、实际器件稳定的高/低组态阻值、运算放大器的供电电压，即可实现tsm的基本参数设置。
18.首先分析tsm模型电路，见图1所示。由下到上，电路包括：差分放大模块、滞回比较器模块、压控开关模块。tsm器件两端电压通过差分放大模块输入，等比例传递给滞回比较器模块电压输入端。通过滞回比较器设定双阈值tsm器件的阈值电压，通过压控开关设定tsm器件的高/低阻态阻值。
19.1)差分放大模块，即将tsm两端压差vin_mem
‑
vout_mem 1：1放大，作为迟滞比较器输入端电压vin
‑
comparator。通过运算放大器负反馈电路计算可得:
20.vin
mem
×
r4(r5 r6)vout
mem
×
r6(r3 r4)＝vin
comparator
×
r5(r3 r4)
21.当r3＝r5，r4＝r6时，上式可以化简为：
[0022][0023]
由于r3＝r4＝r5＝r6，故可得：
[0024]
vin
comparator
＝vin
mem
‑
vout
mem
[0025]
即vin_mem
‑
vout_mem与vin_comparator的值在误差允许范围内是近似相等的。实现了将tsm器件两端压差作为滞回比较器电压输入端电压的目的。
[0026]
2)滞回比较器模块，即通过rratio和参考电压vref调节输出电压vout
‑
comparator。我们采用双阈值滞回比较器实现vout_comparator的二值输出，使得在滞回曲线中，vin_comparator发生改变时，不影响vout_comparator的输出值大小。由滞回比较器电学特性，计算可得关系如下：
[0027][0028][0029]
当时，对于参数vref、rratio、vth1、vth2已知前两个参量可以推得后两个参量；同理，已知后两个参量可以根据上式关系式变式推得前两个参量。
[0030]
由以上原理易得，当vcc和vee采用不同正、负电源设置时，tsm仿真模型可以实现三种阈值电压设定，即：
[0031]
a)vth1大于0，vth2大于0；
[0032]
b)vth1小于0，vth2大于0；
[0033]
c)vth1小于0，vth2小于0；
[0034]
3)压控开关switchv1，即调节tsm高/低组态阻值作用。当vout_comparator大于v2时，压控开关阻值为r2；当vout_comparator小于v1时，压控开关阻值为r1(v2大于v1)；由于当vout_comparator大于v1且小于v2时，压控开关阻值呈现线性变化，所以我们采用滞回比较器的二值特性规避线性区域问题。当vcc大于v2时，压控开关阻值为r_set，对应tsm低阻态阻值；当vee小于v1时，压控开关阻值为r_reset，对应tsm高阻态阻值。
[0035]
接下来，我们对tsm模型进行简单的电学测试，得到基本的电学性能。
[0036]
图2为我们对tsm进行测试时获得的电学性能图。图2(a)为测试电路，由电压源、电阻、电流表、tsm构成，电源提供周期为0
‑
30ms的三角波电压，电流表测得流经tsm的电流值大小。
[0037]
若设定rratio＝8，vref＝0.2v，vcc＝
‑
3v，vee＝ 3v，计算可得tsm两个阈值电压应为vth1＝
‑
0.15v，vth2＝0.6v(体现tsm阈值电压为一正一负的情况)。当在tsm两端施加一个周期为0
‑
30ms的三角波电压时，对于滞回比较器，在两端电压差值超过0.6v时，应发生跳变；在低于
‑
0.15v时也应发生跳变，与图2(b)吻合；对于差分放大器，图2(c)中红色的曲线(vout_comparator)和蓝色曲线(dv)重合，与理论分析放大器对输入压差1：1放大的结论吻合。图2(d)为通过tsm模型的电流与两端电压的关系，当阈值电压为一正一负时，tsm模型表现出典型的忆阻特性，出现忆阻器电流电压双向特性曲线。
[0038]
应用举例
[0039]
我们运用tsm模型在整合
‑
激发神经元电路(if)中进行测试。在由tsm、电容、电阻及电源组成的if电路中，我们目的通过输入方波信号，实现生物神经网络中，突触间的电学信号传递模拟仿真。
[0040]
图3为我们运用了tsm模型的整合
‑
激发神经元电路(if)测试图。
[0041]
若设定rratio＝10，vref＝0.4v，vcc＝
‑
3v，vee＝ 3v，计算可得tsm两个阈值电压应为vth1＝0.14v，vth2＝0.74v(体现tsm阈值电压同为正的情况)。当电路施加连续方波信号(见图4(a))，tsm两端电压上升至约0.776v时，tsm此时将由高阻态转变为低阻态(见图4(b))，电源在rc支路向电容充电完成、电容开始向tsm支路放电；当rc支路开始向tsm支路放电使得tsm两端电压降至约0.144v时，tsm此时将再由低阻态转变为高阻态(见图4(b))，电源再次准备向电容充电。这个过程中，if神经元电路输出的脉冲形式的电压信号(见图4(c))，模拟出了突触间信息传递时，钠离子和钾离子进出神经元离子通道而产生的电学脉冲信号。
[0042]
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。