前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是一種力圖建立人腦神經(jīng)活動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而模仿人腦結(jié)構(gòu)及其功能的信息處理系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠大規(guī)模并行處理信息，具有自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力和容錯(cuò)性的優(yōu)點(diǎn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法主要有軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，處理速度有限，難于滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，使得應(yīng)用研究跟不上理論研究。而采用硬件方法實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則克服了前者的缺點(diǎn)，能夠充分體現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行處理信息的特點(diǎn)。模擬電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

2、功耗低、處理速度快、占片面積小，適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但是，相對(duì)于設(shè)計(jì)方法成熟、精度高而且擴(kuò)展性好的數(shù)字電路，模擬電路需要同時(shí)考慮功耗、速度、精度、增益、帶寬、擺幅、電源電壓等各個(gè)方面的影響并進(jìn)行折衷處理，這正是模擬VLSI(Very Large Scale Integration)技術(shù)始終沒(méi)有取得突破的原因。本文運(yùn)用TMSC0.35μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)了前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各單元模塊電路，進(jìn)而利用提出的單元模塊電路實(shí)現(xiàn)了前

3、饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并探討了其應(yīng)用。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用兩個(gè)平方電路分別為兩個(gè)基本差分式OTA提供偏置電流，實(shí)現(xiàn)了一種跨導(dǎo)寬范圍線(xiàn)性可調(diào)全差分OTA(LOTA）。提出的LOTA解決了電壓輸入范圍和跨導(dǎo)調(diào)節(jié)范圍不能同時(shí)增大的矛盾，實(shí)現(xiàn)了跨導(dǎo)增益從負(fù)到正的范圍內(nèi)連續(xù)線(xiàn)性調(diào)節(jié)，因而滿(mǎn)足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)突觸電路的要求。⑵在AB類(lèi)電流鏡基礎(chǔ)上采用兩個(gè)跨導(dǎo)線(xiàn)性環(huán)電路，設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度電流模式四象限模擬乘法器。Pspice仿真測(cè)試結(jié)果

4、表明提出的乘法器具有精度高、輸入范圍廣、線(xiàn)性度好、功耗低等優(yōu)點(diǎn),可作為電流輸入的突觸電路應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)路中。⑶為了解決神經(jīng)元激活函數(shù)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)不可調(diào)、與突觸電路不匹配的問(wèn)題，基于跨導(dǎo)線(xiàn)性環(huán)和基本差分跨導(dǎo)電路，提出了一種神經(jīng)元雙極性Sigmoid激活函數(shù)及其導(dǎo)函數(shù)發(fā)生器，該函數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于編程。通過(guò)改變外部偏置電流和電壓可調(diào)節(jié)函數(shù)的幅值、閾值和增益因子。⑷為了克服傳統(tǒng)單層感知器不能解決異或問(wèn)題以及對(duì)線(xiàn)性不可分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)的缺

5、點(diǎn)，提出了一個(gè)神經(jīng)元梯形激活函數(shù)電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由一個(gè)減法電路和兩個(gè)閾值函數(shù)電路構(gòu)成。⑸利用提出的單元模塊電路實(shí)現(xiàn)了前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，并探討了其應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于解決異或問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)一維、多維數(shù)據(jù)分類(lèi)。⑹介紹了版圖設(shè)計(jì)的一般規(guī)則、基本流程、工具平臺(tái)以及應(yīng)對(duì)外部干擾的防護(hù)措施，采用Cadence軟件的Virtuoso Layout Editor對(duì)LOTA、電流模式乘法器、雙極性Sigmoid函數(shù)和梯形函數(shù)電路等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單