跨导运算放大电路及细胞神经网络的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种跨导运算放大电路包括：接地端、电源电压端、处理模块、电流偏置模块及镜像模块。处理模块包括第一输入端、第二输入端及电流输出端。第一输入端用于输入可调配的固定电压Vi1，第二输入端用于输入电压Vi2，电流输出端用于输出放大的电流Io1，其中处理模块用于根据固定电压Vi1及电压Vi2的差值决定电流Io1。电流偏置模块用于向处理模块提供偏置电流。镜像模块用于根据电流Io1，输出镜像电流Io2。其中，电流偏置模块、处理模块及镜像模块由隧穿场效应晶体管构成。本申请还公开了一种细胞神经网络，其包括上述的跨导运算放大电路。本申请的跨导运算放大电路及细胞神经网络能够减小整体电路的集成面积，并降低功耗。
【专利说明】
跨导运算放大电路及细胞神经网络
技术领域
[0001]本申请涉及集成电路与细胞神经网络领域，具体涉及一种跨导运算放大电路及细胞神经网络。
【背景技术】
[0002]细胞神经网络(CellularNeural Network，CNN)由Chua和Yang于 1988年提出。它的基本电路单元称作一个细胞Cell，由线性与非线性电路元件组成。典型元件有线性电容、线性电阻、线性与非线性受控电源及独立电源。一个规模为MX N的细胞神经网络共有MX N个细胞排列成M行，N列。细胞神经网络是一种局部互连、双值输出的非线性信号模拟处理器，具有能够高速并行运算、连续实时、适用于超大规模集成电路实现等特点。这些优越性能使得细胞神经网络在图像处理、模式识别、生物医学、自动控制、保密通信等方面有广泛的应用。
[0003]CNN电路的理论设计和硬件实现是根据人脑生物神经网络对信号处理机制的简化模型，与生物神经元不同，CNN细胞神经元之间的联系主要由权值模板控制，所有细胞的输入输出关系都是非线性单调上升函数。这就需要给每一个细胞电路加上一个线性一非线性转换模块电路，这将一定程度的加大集成电路的面积。
[0004]因此，现有的细胞神经网络电路结构复杂，整体电路的集成面积大，功耗较高。
【发明内容】
[0005]本申请提供一种跨导运算放大电路及细胞神经网络，降低了电路结构的复杂度，减小了整体电路的集成面积，并且降低了功耗。
[0006]根据本申请的第一方面，本申请提供一种跨导运算放大电路，其包括:
[0007]接地端；
[0008]电源电压端，用于输入电源电压VDD;
[0009]处理模块，处理模块包括第一输入端、第二输入端及电流输出端，第一输入端用于输入可调配的固定电压Vil，第二输入端用于输入电压Vi2，电流输出端用于输出放大的电流1l，其中处理模块用于根据固定电压Vil及电压Vi2的差值决定电流1l;
[0010]电流偏置模块，连接于电源电压端及接地端，并与处理模块连接于第一内部节点，用于向处理模块提供偏置电流；
[0011]镜像模块，连接于电源电压端及接地端，与处理模块连接于第二内部节点，并与电流偏置模块连接于第三内部节点，用于根据电流1l，输出镜像电流12;
[0012]其中，电流偏置模块、处理模块及镜像模块由隧穿场效应晶体管构成。
[0013]本申请的跨导运算放大电路中，隧穿场效应晶体管为砷化铟同质结隧穿场效应晶体管。
[0014]本申请的跨导运算放大电路中，电流偏置模块包括隧穿场效应晶体管Ml、隧穿场效应晶体管M2、隧穿场效应晶体管Ml 2及隧穿场效应晶体管Ml O ；
[0015]其中，隧穿场效应晶体管Ml的栅极与隧穿场效应晶体管M2的栅极连接，隧穿场效应晶体管Ml的漏极与隧穿场效应晶体管M12的源极连接，隧穿场效应晶体管Ml的源极接电源电压端；
[0016]隧穿场效应晶体管M12的漏极与隧穿场效应晶体管MlO的漏极连接，隧穿场效应晶体管Ml 2的栅极接一偏置电压Vp;
[0017]隧穿场效应晶体管MlO的栅极与漏极连接于第三内部节点，隧穿场效应晶体管MlO的源极与接地端连接；
[0018]隧穿场效应晶体管M2的源极接电源电压端，隧穿场效应晶体管M2的栅极与漏极连接于第一内部节点。
[0019]本申请的跨导运算放大电路中，处理模块包括:
[0020]电流输出模块，包括第一极、第二极与控制极，第二极为电流输出端，控制极为第二输入端，电流输出模块用于根据第一极和控制极的压差输出放大的电流1l;
[0021]电压拉低模块，连接第一内部节点及第一极，用于根据固定电压Vil拉低第一极的电压。
[0022]本申请的跨导运算放大电路中，电流输出模块包括隧穿场效应晶体管M5，其源极为第一级，其漏极为第二级，其栅极为控制极。
[0023]本申请的跨导运算放大电路中，电压拉低模块包括隧穿场效应晶体管M6、隧穿场效应晶体管M7、隧穿场效应晶体管M8及隧穿场效应晶体管Ml I ；
[0024]隧穿场效应晶体管M6的栅极接第一输入端，其源极连接隧穿场效应晶体管M8的漏极，其漏极连接第一内部节点，用于接收偏置电流；
[0025]隧穿场效应晶体管MlI连接于隧穿场效应晶体管M5的源极和隧穿场效应晶体管M7的漏极，隧穿场效应晶体管Ml I的栅极接一偏置电压Vg;
[0026]隧穿场效应晶体管M8的源极与接地端连接，其衬底连接隧穿场效应晶体管M7的栅极；
[0027]隧穿场效应晶体管M7的源极与接地端连接。
[0028]本申请的跨导运算放大电路中，跨导运算放大电路用于寻找强度最大像素，隧穿场效应晶体管Mll为N型，其源极连接隧穿场效应晶体管M6的源极及隧穿场效应晶体管M8的漏极，其漏极连接隧穿场效应晶体管M5的源极及隧穿场效应晶体管M7的漏极。
[0029]本申请的跨导运算放大电路中，跨导运算放大电路用于寻找强度最小像素，隧穿场效应晶体管Mll为N型，其漏极连接隧穿场效应晶体管M6的源极及隧穿场效应晶体管M8的漏极，其源极连接隧穿场效应晶体管M5的源极及隧穿场效应晶体管M7的漏极。
[0030]本申请的跨导运算放大电路中，镜像模块包括隧穿场效应晶体管M3、隧穿场效应晶体管M4及隧穿场效应晶体管M9 ；
[0031]隧穿场效应晶体管M3的源极接电源电压端，其栅极与漏极连接于第二内部节点；
[0032]隧穿场效应晶体管M4的源极接电源电压端，其栅极连接于隧穿场效应晶体管M3的栅极，其漏极连接隧穿场效应晶体管M9的漏极，用于输出镜像电流12;
[0033]隧穿场效应晶体管M9的栅极连接第三内部节点，其源极与接地端连接。
[0034]根据本申请的第二方面，本申请提供一种细胞神经网络，包括上述的跨导运算放大电路，用于实现细胞神经网络的电压控制电流源。
[0035]本申请的有益效果是:
[0036]由于本申请的跨导运算放大电路和神经细胞网络中的电流偏置模块、处理模块及镜像模块由隧穿场效应晶体管构成，因而能够减小整体电路的集成面积，降低功耗。另一方面，以隧穿场效应晶体管TFET为基础的非线性跨导运算放大电路能够提高计算能力，节省运算时间。
【附图说明】
[0037]图1为本申请一种实施例的跨导运算放大电路的电路结构不意图；
[0038]图2为本申请一种实施例的处理模块的结构示意图；
[0039]图3为本申请另一种实施例的跨导运算放大电路的电路结构示意图；
[0040]图4为本申请的以隧穿场效应晶体管为基础的细胞神经网络与现有的细胞神经网络的图像处理能力对比示意图。
【具体实施方式】
[0041 ]下面通过【具体实施方式】结合附图对本申请作进一步详细说明。
[0042]隧穿场效应晶体管TFET是一种基于量子隧穿导电机制的场效应晶体管，由于TFET不是通过MOSFET漂移扩散机制导通的，而是通过量子隧穿实现导通，器件的亚阈值斜率不会受到室温下60mV/dec的限制，有望实现超陡亚阈斜率。陡直的亚阈斜率使得TFET可以在较低的电源电压条件下获得更大的电流开关比，从而有利于降低器件电源电压，实现超低功耗应用，有望将电路功耗降低到微瓦到纳瓦以下。TFET相比其他低功耗器件，具有工艺制备简单，工作电压较低的优势，是最具有应用潜力的超低功耗器件之一。另外，相比于MOSFET，TFET具有更好的输出饱和特性，具有更大的输出电阻，从而有利于获得更大的器件增益。
[0043]为解决电路结构复杂，整体电路的集成面积大，功耗较高的问题，本申请提出一种细胞单元的电路及神经细胞网络。本申请的发明构思在于，通过使用具有非线性特性的TFET器件，引入以TFET为基础的跨导运算放大器OTA的设计，得到基于TFET的细胞神经网络。
[0044]实施例一:
[0045]请参考图1，本申请提供一种跨导运算放大电路，其包括接地端、电源电压端、电流偏置模块11、处理模块13及镜像模块15。其中，电源电压端用于输入电源电压VDD。电流偏置模块11、处理模块13及镜像模块15由隧穿场效应晶体管构成。
[0046]电流偏置模块11连接于电源电压端及接地端，并与处理模块13连接于第一内部节点，用于向处理模块13提供偏置电流。在一较优实施例中，电流偏置模块11包括隧穿场效应晶体管Ml、隧穿场效应晶体管M2、隧穿场效应晶体管M12及隧穿场效应晶体管MlO。其中，隧穿场效应晶体管Ml的栅极与隧穿场效应晶体管M2的栅极连接，隧穿场效应晶体管Ml的漏极与隧穿场效应晶体管M12的源极连接，隧穿场效应晶体管Ml的源极接电源电压端。隧穿场效应晶体管M12的漏极与隧穿场效应晶体管MlO的漏极连接，隧穿场效应晶体管M12的栅极接一偏置电压Vp。隧穿场效应晶体管MlO的栅极与漏极连接于第三内部节点，隧穿场效应晶体管MlO的源极与接地端连接。隧穿场效应晶体管M2的源极接电源电压端，隧穿场效应晶体管M2的栅极与漏极连接于第一内部节点。
[0047]镜像模块15连接于电源电压端及接地端，与处理模块13连接于第二内部节点，并与电流偏置模块11连接于第三内部节点，用于根据电流1l，输出镜像电流12。在一较优实施例中，镜像模块15包括隧穿场效应晶体管M3、隧穿场效应晶体管M4及隧穿场效应晶体管M9。隧穿场效应晶体管M3的源极接电源电压端，其栅极与漏极连接于第二内部节点。隧穿场效应晶体管M4的源极接电源电压端，其栅极连接于隧穿场效应晶体管M3的栅极，其漏极连接隧穿场效应晶体管M9的漏极，用于输出镜像电流12。隧穿场效应晶体管M9的栅极连接第三内部节点，其源极与接地端连接。
[0048]处理模块13包括第一输入端、第二输入端及电流输出端。第一输入端用于输入可调配的固定电压Vil，第二输入端用于输入电压Vi2，电流输出端用于输出放大的电流1l，其中处理模块13用于根据固定电压Vil及电压Vi2的差值决定电流Ιο?。
[0049]请参阅图2，在一较优实施例中，处理模块13包括电压拉低模块132及电流输出模块134。电流输出模块134包括第一极、第二极与控制极，第二极为电流输出端，控制极为第二输入端，电流输出模块134用于根据第一极和控制极的压差输出放大的电流Ιο?。电压拉低模块132，连接第一内部节点及第一极，用于根据固定电压Vil拉低第一极的电压。
[0050]在一具体实施例中，电流输出模块134包括隧穿场效应晶体管Μ5，其源极为第一级，其漏极为第二级，其栅极为控制极。
[0051 ]进一步地，电压拉低模块132包括隧穿场效应晶体管Μ6、隧穿场效应晶体管Μ7、隧穿场效应晶体管Μ8及隧穿场效应晶体管Ml I。隧穿场效应晶体管Μ6的栅极接第一输入端，其源极连接隧穿场效应晶体管Μ8的漏极，其漏极连接第一内部节点，用于接收偏置电流。隧穿场效应晶体管Ml I连接于隧穿场效应晶体管Μ5的源极和隧穿场效应晶体管Μ7的漏极，隧穿场效应晶体管Mll的栅极接一偏置电压Vg。隧穿场效应晶体管Μ8的源极与接地端连接，其衬底连接隧穿场效应晶体管M7的栅极。隧穿场效应晶体管M7的源极与接地端连接。
[0052]本实施例中，本申请的跨导运算放大电路用于寻找强度最大像素。其中，隧穿场效应晶体管Mll为N型，其源极连接隧穿场效应晶体管M6的源极及隧穿场效应晶体管M8的漏极，其漏极连接隧穿场效应晶体管M5的源极及隧穿场效应晶体管M7的漏极。
[0053]具体地，电压Vi2的大小表征像素点的强度。通过调配固定电压Vil，使得且Vil〈Vi2。此时，N型TFET管子Mll导通，该跨导运算放大电路正常工作。像素强度越大，Vi2的电压越大，电压拉低模块132根据固定电压Vil拉低隧穿场效应晶体管M5的源极电压。固定电压Vil与Vi2差值越大，相应的隧穿场效应晶体管M5的栅极和源极的压差越大，增益系数越高，流经隧穿场效应晶体管M5的漏极的电流1l越大。镜像模块15再根据电流1l输出相应的镜像电流12，镜像电流12的大小近似于电流Ιο?。因此，镜像电流12最大时对应的像素的强度最大。
[0054]优选地，在一具体实施例中，本申请的跨导运算放大电路的隧穿场效应晶体管为砷化铟同质结隧穿场效应晶体管。砷化铟同质结隧穿场效应晶体管HomTFET，具有更大的有效IV特性范围以及较好的陡坡特性与较小的寄生电容。
[0055]本申请的跨导运算放大电路通过利用隧穿场效应晶体管的非线性特性及其低功耗特性，减小了整体电路的集成面积，降低了功耗。
[0056]实施例二:
[0057]请参考图3，在另一个实施例中，本申请的跨导运算放大电路用于寻找强度最小像素。其中，隧穿场效应晶体管Mll为N型，其漏极连接隧穿场效应晶体管M6的源极及隧穿场效应晶体管M8的漏极，其源极连接隧穿场效应晶体管M5的源极及隧穿场效应晶体管M7的漏极。
[0058]具体地，电压Vi2的大小表征像素点的强度。通过调配固定电压Vil，使得且Vil>Vi2。此时，N型TFET管子Mll导通，该跨导运算放大电路正常工作。像素强度越大，Vi2的电压越大，电压拉低模块132根据固定电压Vil拉低隧穿场效应晶体管M5的源极电压。固定电压Vil与Vi2差值越大，相应的隧穿场效应晶体管M5的栅极和源极的压差越大，增益系数越高，流经隧穿场效应晶体管M5的漏极的电流1l越大。镜像模块15再根据电流1l输出相应的镜像电流12，镜像电流12的大小近似于电流Ιο?。因此，镜像电流12最大时对应的像素的强度最小。
[0059]同样地，本实施例中的隧穿场效应晶体管也可以采用砷化铟同质结隧穿场效应晶体管。
[0060]本申请还提出了一种细胞神经网络，其包括上述的跨导运算放大电路。其中跨导运算放大电路用于实现细胞神经网络的电压控制电流源。
[0061 ]请参考图4，利用Hspice对以TFET为基础的细胞神经网络的处理图像能力进行仿真。定义在最坏的情况下保证每个图像可以达到稳定状态所需要的时间作为计算时间。通过该HSPICE仿真结果的计算时间和每一个步骤功率消耗，可以看出以TFET为基础的细胞神经网络相对于现有的细胞神经网络，减少了计算步骤，提高了计算能力，节省了运算时间。
[0062]以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。
【主权项】
1.一种跨导运算放大电路，其特征在于，包括: 接地端； 电源电压端，用于输入电源电压VDD; 处理模块，所述处理模块包括第一输入端、第二输入端及电流输出端，所述第一输入端用于输入可调配的固定电压Vil，所述第二输入端用于输入电压Vi2，所述电流输出端用于输出放大的电流1l，其中所述处理模块用于根据所述固定电压Vil及所述电压Vi2的差值决定所述电流1l ； 电流偏置模块，连接于所述电源电压端及所述接地端，并与所述处理模块连接于第一内部节点，用于向所述处理模块提供偏置电流； 镜像模块，连接于所述电源电压端及所述接地端，与所述处理模块连接于第二内部节点，并与所述电流偏置模块连接于第三内部节点，用于根据所述电流1l，输出镜像电流12； 其中，所述电流偏置模块、所述处理模块及所述镜像模块由隧穿场效应晶体管构成。2.如权利要求1所述的跨导运算放大电路，其特征在于，所述隧穿场效应晶体管为砷化铟同质结隧穿场效应晶体管。3.如权利要求1所述的跨导运算放大电路，其特征在于，所述电流偏置模块包括隧穿场效应晶体管Ml、隧穿场效应晶体管M2、隧穿场效应晶体管Ml 2及隧穿场效应晶体管Ml O ； 其中，所述隧穿场效应晶体管Ml的栅极与所述隧穿场效应晶体管M2的栅极连接，所述隧穿场效应晶体管Ml的漏极与所述隧穿场效应晶体管M12的源极连接，所述隧穿场效应晶体管Ml的源极接所述电源电压端； 所述隧穿场效应晶体管M12的漏极与所述隧穿场效应晶体管MlO的漏极连接，所述隧穿场效应晶体管M12的栅极接一偏置电压Vp; 所述隧穿场效应晶体管MlO的栅极与漏极连接于所述第三内部节点，所述隧穿场效应晶体管MlO的源极与所述接地端连接； 所述隧穿场效应晶体管M2的源极接所述电源电压端，所述隧穿场效应晶体管M2的栅极与漏极连接于所述第一内部节点。4.如权利要求1所述的跨导运算放大电路，其特征在于，所述处理模块包括: 电流输出模块，包括第一极、第二极与控制极，所述第二极为所述电流输出端，所述控制极为所述第二输入端，所述电流输出模块用于根据第一极和控制极的压差输出所述放大的电流1l; 电压拉低模块，连接所述第一内部节点及所述第一极，用于根据所述固定电压Vil拉低所述第一极的电压。5.如权利要求4所述的跨导运算放大电路，其特征在于，所述电流输出模块包括隧穿场效应晶体管M5，其源极为所述第一级，其漏极为所述第二级，其栅极为所述控制极。6.如权利要求5所述的跨导运算放大电路，其特征在于，所述电压拉低模块包括隧穿场效应晶体管M6、隧穿场效应晶体管M7、隧穿场效应晶体管M8及隧穿场效应晶体管Ml I ； 所述隧穿场效应晶体管M6的栅极接所述第一输入端，其源极连接所述隧穿场效应晶体管M8的漏极，其漏极连接所述第一内部节点，用于接收所述偏置电流； 所述隧穿场效应晶体管Mll连接于所述隧穿场效应晶体管M5的源极和所述隧穿场效应晶体管M7的漏极，所述隧穿场效应晶体管Ml I的栅极接一偏置电压Vg; 所述隧穿场效应晶体管M8的源极与所述接地端连接，其衬底连接所述隧穿场效应晶体管M7的栅极； 所述隧穿场效应晶体管M7的源极与所述接地端连接。7.如权利要求6所述的跨导运算放大电路，其特征在于，所述跨导运算放大电路用于寻找强度最大像素，所述隧穿场效应晶体管Mll为N型，其源极连接所述隧穿场效应晶体管M6的源极及所述隧穿场效应晶体管M8的漏极，其漏极连接所述隧穿场效应晶体管M5的源极及所述隧穿场效应晶体管M7的漏极。8.如权利要求6所述的跨导运算放大电路，其特征在于，所述跨导运算放大电路用于寻找强度最小像素，所述隧穿场效应晶体管Mll为N型，其漏极连接所述隧穿场效应晶体管M6的源极及所述隧穿场效应晶体管M8的漏极，其源极连接所述隧穿场效应晶体管M5的源极及所述隧穿场效应晶体管M7的漏极。9.如权利要求1所述的跨导运算放大电路，其特征在于，所述镜像模块包括隧穿场效应晶体管M3、隧穿场效应晶体管M4及隧穿场效应晶体管M9; 所述隧穿场效应晶体管M3的源极接所述电源电压端，其栅极与漏极连接于所述第二内部节点； 所述隧穿场效应晶体管M4的源极接所述电源电压端，其栅极连接于所述隧穿场效应晶体管M3的栅极，其漏极连接所述隧穿场效应晶体管M9的漏极，用于输出所述镜像电流12; 所述隧穿场效应晶体管M9的栅极连接所述第三内部节点，其源极与所述接地端连接。10.—种细胞神经网络，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的跨导运算放大电路，所述跨导运算放大电路用于实现细胞神经网络的电压控制电流源。
【文档编号】G06N3/063GK105913120SQ201610217357
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】黄继攀, 黄宇谦, 王新安, 马芝, 赵秋奇, 鲁海芳, 杨志强, 高方, 林楚君, 陈红英
【申请人】北京大学深圳研究生院, 深圳集成电路设计产业化基地管理中心