專利名稱：注入式電致發(fā)光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種光電混合型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路。該電路能自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別、記憶、糾錯(cuò)、分類，并可與電子計(jì)算機(jī)聯(lián)用。
人腦記憶的重要特性之一就是聯(lián)想能力，人們通過(guò)對(duì)某一事物的部分特性記憶從而引起對(duì)該事物完整信息的搜索。對(duì)一些錯(cuò)誤的輸入也能夠進(jìn)行正確的檢索，去除錯(cuò)誤的信息，得出正確的答案。
在腦的計(jì)算過(guò)程中，每個(gè)神經(jīng)元都獨(dú)立地檢查其相鄰神經(jīng)元的狀態(tài)，并根據(jù)檢查結(jié)果來(lái)確定自己的將來(lái)的狀態(tài)。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)十分可靠。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算是以一種集體計(jì)算的方式完成的。單個(gè)神經(jīng)元同時(shí)發(fā)生簡(jiǎn)單操作構(gòu)成了整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜功能。每個(gè)神經(jīng)元的開(kāi)關(guān)速度為幾個(gè)毫秒，比起現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中電子開(kāi)關(guān)的幾個(gè)毫微秒的開(kāi)關(guān)時(shí)間要慢六個(gè)數(shù)量級(jí)。但由于腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在著高水平的互連，所以正好補(bǔ)償了神經(jīng)元的低開(kāi)關(guān)速度。這種組織方式使成千上萬(wàn)的神經(jīng)元能按照某種簡(jiǎn)單規(guī)則對(duì)某一單個(gè)神經(jīng)的狀態(tài)同時(shí)產(chǎn)生集體的影響。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，信息不是存貯在各個(gè)存貯單元中，而是存貯在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的互連系統(tǒng)中。它非常適用于用部分信息來(lái)提取整個(gè)信息，并且具有顯著的誤差校正能力。
馮、諾依曼型電子計(jì)算機(jī)以串行處理為基礎(chǔ)，一般采用地址尋址的記憶方式，它對(duì)大量長(zhǎng)程連續(xù)的計(jì)算來(lái)說(shuō)是非常有效的，但在模式識(shí)別、人工智能等方面遇到了困難。這就促使人們?nèi)ヅρ芯恳圆⑿刑幚砗蛢?nèi)容尋址為特征的神經(jīng)計(jì)算機(jī)。
神經(jīng)計(jì)算是通過(guò)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工程模型來(lái)模擬人腦的信息處理功能，其基本思想是把模仿神經(jīng)細(xì)胞功能的處理單元連成網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)神經(jīng)元相互交換信息，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整體地進(jìn)行信息處理。
采用現(xiàn)有技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)計(jì)算的可能性頗為引入注目，美國(guó)加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家Hopfleld在1982年提出了一個(gè)非線性外積關(guān)聯(lián)存貯模型，即所謂的“Hopfleld神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型”。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是一種離散的隨機(jī)模型，是由N個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成互連網(wǎng)絡(luò)，能自動(dòng)產(chǎn)生集合運(yùn)算功能。由于是按內(nèi)容存貯在整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上，這種以內(nèi)容尋址記憶(或稱關(guān)聯(lián)記憶)能夠準(zhǔn)確地從有效范圍的局部信息恢復(fù)完整的記憶內(nèi)容。其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的演變規(guī)則是以異求并行處理為基礎(chǔ)。因此該模型具有的集合特性包括識(shí)別、分類、糾錯(cuò)及時(shí)序記憶等。同時(shí)該模型還允許部分單元受到損壞。正由于此，近十年來(lái)人們的興趣主要集中于Hopfleld神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以利用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)之。
本發(fā)明的目的就在于依據(jù)Hopfleld神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)計(jì)出具有該模型集合特性的光電混合型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路。
Hopfleld模型屬于聯(lián)想型網(wǎng)絡(luò)模型是一種離散的隨機(jī)模型。由N個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成互連網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元的輸出Vl取離散值1或0，各個(gè)神經(jīng)元獨(dú)立、隨機(jī)、異步地按以下規(guī)則改變狀態(tài)
模型的條件是對(duì)稱連接，Wij＝Wji，且無(wú)自身的反饋(Wij＝0)，Hopfleld模型的特點(diǎn)是具有聯(lián)想功能，并引入“能量”函數(shù)E＝- 1/2 ∑∑WijViVj-∑tiVi任意一個(gè)神經(jīng)元當(dāng)其輸出發(fā)生變化時(shí)，能量函數(shù)都將減少在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的演變過(guò)程中，能量函數(shù)E是單調(diào)下降的。
由于E有界，系統(tǒng)必趨于穩(wěn)定狀態(tài)，并對(duì)應(yīng)于E函數(shù)在V狀態(tài)空間的局部最小值。
適當(dāng)選取神經(jīng)元興奮模式的初始狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)將按上述的運(yùn)算過(guò)程，到達(dá)初始狀態(tài)附近的極小點(diǎn)。如果儲(chǔ)存的樣本是對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的極小點(diǎn)(穩(wěn)定點(diǎn))，則當(dāng)輸入其附近的模式時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將“想起”極小點(diǎn)處的樣本。
每個(gè)神經(jīng)元可處于興奮和抑制兩種狀態(tài)。一個(gè)長(zhǎng)度為N的二元矢量Vm用來(lái)表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第m個(gè)狀態(tài)。若第1個(gè)神經(jīng)元處于興奮狀態(tài)，則Vm的第1個(gè)分量值為+1，若它處于抑制狀態(tài)則為0，
當(dāng)神經(jīng)元i與j相連時(shí)，它具有連接強(qiáng)度(權(quán)重)Tij。在這個(gè)模型中，信息是存貯在N個(gè)神經(jīng)元的第1個(gè)與第j個(gè)神經(jīng)元的N2個(gè)互連強(qiáng)度Tlj中，每個(gè)神經(jīng)元與所有其他神經(jīng)元，并通過(guò)檢查從其他神經(jīng)元對(duì)第1個(gè)神經(jīng)元輸入之和的非線性過(guò)程來(lái)決定它自己是處于什么狀態(tài)，對(duì)于每個(gè)神經(jīng)元存在一個(gè)固定的閾值ti使得
若我們希望存貯一組M個(gè)狀態(tài)V(m)，m＝1，2，……，M，其中每個(gè)狀態(tài)矢量是長(zhǎng)度為N的(0，1)二元制矢量，這些狀態(tài)可按下式存貯在神經(jīng)元矩陣中
其中N為神經(jīng)元的數(shù)目。上式說(shuō)明互連強(qiáng)度與存貯的狀態(tài)直接聯(lián)系在一起，每個(gè)存貯的狀態(tài)不是按地址存貯在某個(gè)存貯器中，而是按內(nèi)容存貯在整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上。
要從該系統(tǒng)中提取某個(gè)狀態(tài)V(m)，則可輸入某個(gè)較接近V(m)的狀態(tài)矢量V(mo)i。V(mo)i與矩陣Tij相乘后，再作取閾值運(yùn)算使之產(chǎn)生一個(gè)估計(jì)值 若用一個(gè)帶有誤差的矢量作為輸入，經(jīng)過(guò)矢量與存貯矩陣相乘以及取閾值運(yùn)算，得到一個(gè)輸出的二元制矢量。該矢量將是要提取的存貯在網(wǎng)絡(luò)中的二元制矢量，若再將第一次輸出反饋?zhàn)鳛檩斎?，則新的輸出將會(huì)更精確，通過(guò)這樣的迭代過(guò)程最后收斂到一個(gè)正確的矢量輸出。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化Hopfleld神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)，將Tlj簡(jiǎn)化為只取值為+1，或-1，或0，同時(shí)引進(jìn)T′ijT′ij＝V(mo)i·TijVj為0或?yàn)? 由于V(mo)j取值只有0或1兩種可能，所以T′ij是由推廣意義上的V(mo)j和Tij的與運(yùn)算而獲得。
據(jù)此，本發(fā)明的技術(shù)解決方案提出了光電混合型的注入式電致發(fā)光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路由N個(gè)神經(jīng)元電路及這些神經(jīng)元電路之間的連接組成。這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路均同時(shí)包括有N個(gè)輸入及顯示單元電路、N×N個(gè)矩陣元電路和N個(gè)取閾反饋單元電路，以及輸入及顯示、矩陣及取閾反饋這三個(gè)電路之間分別對(duì)應(yīng)連接。所述的N是表示在整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中所含的神經(jīng)元電路的個(gè)數(shù)，其取值為大于或等于1的正整數(shù)。
一、現(xiàn)分述輸入及顯示、矩陣、取閾反饋等三個(gè)基本電路的構(gòu)成及相應(yīng)的工作原理1、輸入及顯示電路該電路是一種執(zhí)行輸入并對(duì)輸入及反饋輸出進(jìn)行顯示以及向矩陣電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓信號(hào)的電路。
該電路由觸發(fā)開(kāi)關(guān)Ki、雙穩(wěn)態(tài)電路RSi、驅(qū)動(dòng)電路GBi、顯示器Di和穩(wěn)壓電路Di-2、Di-3、隔離二極管Di-1及復(fù)位開(kāi)關(guān)Ko構(gòu)成。其中雙穩(wěn)態(tài)電路RSi采用分立元器件或集成電路實(shí)現(xiàn)或直接采用RS觸發(fā)器;驅(qū)動(dòng)電路GBi采用復(fù)合三極管電路或采用達(dá)林頓三極管構(gòu)成;顯示器Di采用一些具有發(fā)光顯示器件例如發(fā)光二極管;穩(wěn)壓電路Di-2、Di-3采用具有穩(wěn)壓作用的元器件如穩(wěn)壓二極管或者由2個(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成的穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。
當(dāng)整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中所含神經(jīng)元電路的數(shù)量N大于1時(shí)，其中的輸入及顯示電路將由N個(gè)輸入及顯示單元電路并行構(gòu)成。
該電路的工作原理為其輸入信號(hào)只有“1”和“0”兩種，分別用高低電平表示。輸入和復(fù)位都是高電平有效。在信號(hào)輸入前，先按復(fù)位開(kāi)關(guān)Ko，使雙穩(wěn)壓態(tài)電路RSi的Q端置O。當(dāng)輸入信號(hào)為1時(shí)，通過(guò)觸發(fā)開(kāi)關(guān)Ki，雙穩(wěn)態(tài)電路RSi的Q端置1，驅(qū)動(dòng)電路GBi飽合導(dǎo)通，顯示器Di發(fā)光顯示。并由二極管Di-2的正極端輸出一穩(wěn)定的電壓信號(hào)作為Vi＝1，輸入矩陣電路的矩陣開(kāi)關(guān)Kij。輸入為0時(shí)，開(kāi)關(guān)Ki沒(méi)有觸發(fā)，雙穩(wěn)態(tài)電路Q端仍為0，驅(qū)動(dòng)電路GBi截止，顯示器Di熄滅，矩陣輸入電路保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，矩陣收到信號(hào)0。在執(zhí)行運(yùn)算期間，復(fù)位和輸入處于0電平，來(lái)自取閾反饋電路的反饋信號(hào)對(duì)穩(wěn)態(tài)RSi觸發(fā)器進(jìn)行反饋控制。
2、矩陣元電路該電路是由矩陣乘法器電路與矩陣開(kāi)關(guān)電路組成。其中矩陣乘法器電路是一種由受輸入和矩陣開(kāi)關(guān)控制的電光轉(zhuǎn)換器及光電轉(zhuǎn)換器和橋電路構(gòu)成的并與后續(xù)的閾值比較器電路相聯(lián)系的電路;矩陣開(kāi)關(guān)電路是一種具有三態(tài)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電路。
該電路采用2N2個(gè)發(fā)光二極管[Dij-1、Dij-2]與2N2個(gè)光電三極管[BGij-1、BGij-2]作電光及光電轉(zhuǎn)換器，并設(shè)置2N2個(gè)電阻[Rij-1、Rij-2]作橋電路和N2個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)[Kij]?；虿捎?N2個(gè)電光、光電轉(zhuǎn)換器件[GDij-1、GDij-2]代替發(fā)光二極管和光電三極管，并以這些電光、光電轉(zhuǎn)換器件的電阻特性作橋電路以替代電阻[Rij-1、Rij-2]。矩陣開(kāi)關(guān)[Kij]可采用電子模擬開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)控制。
當(dāng)整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中所含神經(jīng)元電路的數(shù)量N大于1時(shí)，其中的矩陣電路將由N×N個(gè)矩陣元電路構(gòu)成。其構(gòu)成的方式為將各矩陣元電路中的同一列的矩陣開(kāi)關(guān)的公共端與輸入及顯示單元電路中相對(duì)應(yīng)的輸出端相接，同時(shí)將各矩陣乘法器中的同一行的橋電路的平衡判別點(diǎn)相接。
該電路的工作原理為，其中
矩陣元的工作情況(參見(jiàn)圖3)根據(jù)所要存儲(chǔ)的信息得到連接權(quán)重，設(shè)置矩陣開(kāi)關(guān)Kij的位置。當(dāng)權(quán)重為1時(shí)，開(kāi)關(guān)Kij接發(fā)光二極管Dij-1的正極;當(dāng)權(quán)重為-1時(shí)開(kāi)關(guān)Kij接發(fā)光二極管Dij-2的正極;當(dāng)權(quán)重為0時(shí)，開(kāi)關(guān)Kij懸空。矩陣開(kāi)關(guān)Kij在上述這三個(gè)狀態(tài)中取一。由輸入信號(hào)和矩陣開(kāi)關(guān)Kij的設(shè)置相“與”之后的結(jié)果控制Dij-1發(fā)光或Dij-2發(fā)光，或Dij-1與Dij-2都不發(fā)光等三種狀態(tài)，這樣經(jīng)光電三極管GBij-1或GBij-2的變換，在橋電路的平衡判別點(diǎn)處就能得到“+1”或“-1”或“0”的結(jié)果。
矩陣電路中的矩陣列的工作情況(參見(jiàn)圖4)對(duì)于N個(gè)神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)神經(jīng)元主要對(duì)所有的神經(jīng)元發(fā)生作用。對(duì)于具體的電路來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)神經(jīng)元的輸入要對(duì)同一列的矩陣產(chǎn)生作用。這樣就要把具有相同下標(biāo)“j”的矩陣開(kāi)關(guān)Kij中的Kij、K2j、K3j、……Knj的公共端接在一起，并與對(duì)應(yīng)的輸入電路的輸出Vi(Vi的下標(biāo)“i”與Kij的下標(biāo)“j”相同iV＝j(luò)K)相連接，這樣就構(gòu)成了矩陣的列電路，這也就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)神經(jīng)元對(duì)所有神經(jīng)元的作用。
矩陣電路中的矩陣行的工作情況(參見(jiàn)圖5)對(duì)于N個(gè)神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)神經(jīng)元的輸出，取決于所有神經(jīng)元對(duì)它的作用。也就是說(shuō)，一個(gè)神經(jīng)元的輸出狀態(tài)，要由所有神經(jīng)元對(duì)它的作用的求和取閾來(lái)決定。對(duì)于具體的電路來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)神經(jīng)元的輸出狀態(tài)取決于同行的矩陣元求和的結(jié)果。這樣，就要把具有相同下標(biāo)“i”的GBij-1(即GBi1-1、GBi2-1、……GBin-1)光電三極管的發(fā)射極，也就是具有相同下標(biāo)“i”的GBij-2(GBi1-2、GBi2-2、……GBin-2)光電三極管的集電極連接在一起而構(gòu)成矩陣的行電路，這樣就構(gòu)成了具有N對(duì)平衡橋臂的橋路，連接點(diǎn)也好就是橋路的平衡判別點(diǎn)。
3、取閾反饋電路該電路是由閾值比較器與反饋控制器組成。其中閾值比較器電路是由運(yùn)算放大器Ai-1、Ai-2反相相接構(gòu)成完成比較取閾的操作;反饋控制器是由數(shù)據(jù)鎖存器UDl-1再加上三態(tài)門(mén)電路，脈沖發(fā)生與延時(shí)電路TGi-1、TGi-2構(gòu)成，以通過(guò)鎖存器的G端和OE端可以控制反饋次數(shù)和防止網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的混亂。
當(dāng)整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中所含神經(jīng)元電路的數(shù)量N大于1時(shí)，其中的取閾反饋電路將由N個(gè)取閾反饋單元電路構(gòu)成，其構(gòu)成方式為并行構(gòu)成，并連接各單元電路中閾值比較器的閾值參考點(diǎn)以賦予同樣的參考電位，并采用同一個(gè)公共的鎖存器信號(hào)控制端(G)和采用一個(gè)公共的三態(tài)門(mén)控制端(OE)及相應(yīng)的脈沖產(chǎn)生和延時(shí)電路。
取閾反饋電路的工作原理(參見(jiàn)圖6)運(yùn)算放大器Ai-1的正相端和Ai-2的負(fù)相端相連作為取閾參考電位的輸入端。這個(gè)參考電位來(lái)自一個(gè)由可變電阻W和固定電阻R組成的電阻分壓器。調(diào)節(jié)可變電阻器W可得到一個(gè)可調(diào)的閾值參考電位Vf。閾值比較器產(chǎn)生一對(duì)(0、1)或(1、0)的取閾結(jié)果，這個(gè)結(jié)果在G端為高電平時(shí)進(jìn)入鎖存器UD中，然后在OE端為高電平時(shí)，這個(gè)結(jié)果就被反饋到輸入端，即R端和S端，觸發(fā)雙穩(wěn)電路RSi。完成了網(wǎng)絡(luò)的反饋工作過(guò)程，這里要求對(duì)G端和OE端施加的高電平應(yīng)當(dāng)錯(cuò)開(kāi)，也就是先給G端高電平(此時(shí)，OE端應(yīng)為低電平)，隨后再給OE端高電平(此時(shí)，G端應(yīng)為低電平)?？梢杂靡淮e(cuò)開(kāi)的脈沖串來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)G和OE兩個(gè)端的控制。
二、詳述上述三個(gè)基本電路聯(lián)接方式1、輸入及顯示單元電路按下述聯(lián)接構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路RSi的S觸發(fā)端經(jīng)開(kāi)關(guān)Ki后接電源Vc的正極，雙穩(wěn)態(tài)電路RSi的R觸發(fā)端接隔離二極管Di-1的負(fù)極，隔離二極管Di-1的正極接復(fù)位開(kāi)關(guān)Ko的一端，復(fù)位開(kāi)關(guān)Ko的另一端接電源Vc的正極。雙穩(wěn)態(tài)電路RSi的輸出端Qi接驅(qū)動(dòng)電路GBi的基極，驅(qū)動(dòng)電路GBi的一輸出經(jīng)顯示器Di后接電源Ec正極。驅(qū)動(dòng)電路GBi的另一輸出Vj經(jīng)穩(wěn)壓電路Di-2、Di-3后接地，該輸出Vj同時(shí)接矩陣元電路的矩陣輸入端Vi。上述所述的“i”均為同一數(shù)，其i＝1，2，3，……N。
2、矩陣單元電路按下述二種方式聯(lián)接構(gòu)成其一光電耦合器GDij-1中的正端經(jīng)矩陣開(kāi)關(guān)Kij后接光電耦合器GDij-2中的發(fā)光器的負(fù)端，光電耦合器GDij-1中的負(fù)端與光電耦合器GDij-2中的發(fā)光器正端相接。光電耦合器GDij-1中的光接收器的發(fā)射極接光電耦合器GDij-2中光接收器的集電極后再接閾值比較器中運(yùn)算放大器Ai-1的負(fù)輸入端Vi作為平衡橋路的輸出信號(hào)Vi輸出端光電耦合器GDij-1中光接收器的集電極接電源Ec正極。光電耦合器GDij-2中光接收器的發(fā)射極接電源Ec負(fù)極。
其二當(dāng)光電耦合器GDij-1、GDij-2采用1發(fā)光二極管Dij-1、Dij-2和光電三極管BGij-1、BGij-2作為電光、光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，應(yīng)設(shè)置電阻Rij-1、Rij-2為橋電路。將電阻Rij-1串聯(lián)在光電三極管BGij-1的集電極與電源Ec正極之間，電阻Rij-2串接在光電三極管BGij-2的集電極與電源Ec負(fù)極之間。發(fā)光二極管Dij-1、Dij-2、光電三極管BGij-1、BGij-2在電路中的連接與上述“其一”中的光電耦合器GDij-1、GDij-2中的發(fā)光器、光接收器的連接相同，其余未敘述部分也同上“其一”。
3、取閾反饋單元電路按下述聯(lián)接構(gòu)成運(yùn)算放大器Ai-1的負(fù)相端和Ai-2的正相端相連接并與平衡橋路的輸出信號(hào)V′i端相接。將所有運(yùn)算放大器Ai-1、Ai-2中不與V′i輸出端相連接的正、反相端與可變電阻W的滑動(dòng)頭相接。各個(gè)運(yùn)算放大器Ai-1、Ai-2的輸出端分別與鎖存器UD上的輸入端Di-1、Di-2相接。鎖存器UD上與輸入端Di-1、Di-2相對(duì)應(yīng)的輸出端Qi-1、Qi-2分別與三態(tài)門(mén)TGi-1、TGi-2的輸入端相接。三態(tài)門(mén)TGi-1、TGi-2的輸出端VAl、VBl分別接輸入及顯示電路中的雙穩(wěn)態(tài)電路RSl的R觸發(fā)端和S觸發(fā)端。所有三態(tài)門(mén)TGi-1、TGi-2的控制端OE全部相接在一起?？勺冸娮鑇與電阻R串接在電源Ec負(fù)極與地之間。
4、在所述的輸入及顯示、矩陣、取閾反饋三個(gè)電路中各個(gè)元器件的下標(biāo)“i、j”的取值與表示神經(jīng)元電路數(shù)量的“N”的值相同;電路中的復(fù)位開(kāi)關(guān)Ko、觸發(fā)開(kāi)關(guān)Ki、矩陣開(kāi)關(guān)Kij都可采用由計(jì)算機(jī)控制的電子模擬開(kāi)關(guān)。
三、整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路工作情況為首先根據(jù)所有存貯的矢量，設(shè)置Tij矩陣開(kāi)關(guān)，這就決定了網(wǎng)絡(luò)所存貯的內(nèi)容。然后置入一個(gè)輸入信號(hào)，由于這個(gè)信號(hào)具有和Tij相同的作用，從而得到T′ij，經(jīng)過(guò)T′ij的從j＝1到j(luò)＝N的累加，取閾之后，得到Voi，Voi經(jīng)過(guò)反饋控制器反饋到輸入端，作為新的輸入，經(jīng)過(guò)多次這樣的作用之后，得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出。即原先存貯在該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中的最靠近這個(gè)輸入的矢量。輸入和輸出的顯示由發(fā)光顯示器來(lái)完成。
由于本發(fā)明提出了具有Hopfleld模型集合特性的注入式電致發(fā)光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路的技術(shù)解決方案，從而使采用硬件實(shí)現(xiàn)Hopfleld神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型成為現(xiàn)實(shí)，并由于該電路具有記憶、識(shí)別、糾錯(cuò)、分類等功能。故可以模擬人腦神經(jīng)元細(xì)胞的作用，可廣泛的應(yīng)用于智能化的工業(yè)裝置、家電及各種電控設(shè)備上。利用集成光電子技術(shù)即可在半導(dǎo)體基片上進(jìn)行光電子-微電子混合集成，實(shí)施出本發(fā)明的技術(shù)解決方案，制成大數(shù)目的神經(jīng)元集成電路芯片，實(shí)現(xiàn)更大量?jī)?nèi)容的存貯。


圖1是本發(fā)明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路的原理方框圖。
圖2是本發(fā)明電路中輸入及顯示電路的電原理圖。
圖3是本發(fā)明電路中矩陣元電路原理圖。
圖4是本發(fā)明電路的矩陣元電路中的矩陣列電路原理圖。
圖5是本發(fā)明電路的矩陣元電路中的矩陣行電路原理圖。
圖6是本發(fā)明電路中的取閾反饋電路原理圖。
圖7、8、9分別是由四個(gè)神經(jīng)元電路構(gòu)成的本發(fā)明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中輸入及顯示、矩陣和取閾反饋三個(gè)電路的原理圖。
圖10、11、12分別是由八個(gè)神經(jīng)元電路構(gòu)成的本發(fā)明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中輸入及顯示、矩陣和取閾反饋三個(gè)電路的原理圖。
實(shí)施例1參照?qǐng)D7、8、9敘述如下本電路共具有四個(gè)神經(jīng)元電路，它由4個(gè)輸入及顯示單元電路、4×4個(gè)矩陣元電路和4個(gè)取閾反饋單元電路組成，其中(1)4個(gè)輸入及顯示單元電路包括有4個(gè)RS觸發(fā)器[RS1～RS4]、4個(gè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)[K1～K4]、4個(gè)隔離二極管[D1-1～D4-1]、1個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)[K0]，由4個(gè)復(fù)合管[BG1～BG4]構(gòu)成的4個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，由8個(gè)二極管[D1-2～D4-2、D1-3～D4-3]構(gòu)成的4個(gè)穩(wěn)壓電路和4個(gè)發(fā)光二極管[D1～D4]。
(2)4×4個(gè)矩陣元電路包括有32個(gè)發(fā)光二極管[D1.1-1～D1.4-1，D1.1-2～D1.4-2，D2.1-1～D2.4-1，D2.1-2～D2.4-2，D3.1-1～D3.4-1，D3.1-2～D3.4-2，D4.1-1～D4.4-1，D4.1-2～D4.4-2]和32個(gè)光電三極管[BG1.1-1～BG1.4-1，BG1.1-2～BG1.4-2，BG2.1-1～BG2.4-1，BG2.1-2～BG2.4-2，BG3.1-1～BG3.4-1，BG3.1-2～BG3.4-2，BG4.1-1～BG4.4-1，BG4.1-2～BG4.4-2]、32個(gè)橋路電阻[R1.1-1～R1.4-1，R1.1-2～R1.4-2，R2.1-1～R2.4-1，R2.1-2～R2.4-2，R3.1-1～R3.4-1，R3.1-2～R3.4-2，R4.1-1～R4.4-1，R4.1-2～R4.4-2]及16個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)[K1.1～K1.4，K2.1～K2.4，K3.1～K3.4，K4.1～K4.4]，或者包括有32個(gè)光電耦合器[GD1.1-1～GD1.4-1，GD1.1-2～GD1.4-2，GD2.1-1～GD2.4-1，GD2.1-2～GD2.4-2，GD3.1-1～GD3.4-1，GD3.1-2～GD3.4-2，GD4.1-1～GD4.4-1，GD4.1-2～GD4.4-2]與16個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)[K1.1～K1.4，K2.1～K2.4，K3.1～K3.4，K4.1～K4.4]。
(3)4個(gè)取閾反饋單元電路包括有8個(gè)反相運(yùn)算放大器[A1-1～A4-1、A1-2～A4-2]、8個(gè)三態(tài)門(mén)[TG1-1～TG4-1、TG1-2～TG4-2]和8個(gè)鎖存器[UD1-1、UD1-2，UD2-1、UD2-2，UD3-1，UD3-2，UD4-1、UD4-2]。
實(shí)施例2、參照?qǐng)D10、11、12敘述如下本電路具有八個(gè)神經(jīng)元電路，它由8個(gè)輸入及顯示單元電路、8×8個(gè)矩陣元電路及8個(gè)取閾反饋單元電路組成，其中
(1)8個(gè)輸入及顯示單元電路包括有8個(gè)RS觸發(fā)器[RS1～RS8]，8個(gè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)[K1～K8]，8個(gè)隔離二極管[D1-1～D8-1]，1個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)[K0]，由8個(gè)復(fù)合管[BG1～BG8]構(gòu)成的8個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，由16個(gè)二極管[D1-2～D8-2、D1-3～D8-3]構(gòu)成的4個(gè)穩(wěn)壓電路。
(2)8×8個(gè)矩陣元電路包括有128個(gè)發(fā)光二極管[D1.1-1～D1.8-1、D1.1-2～D1.8-2]～[D8.1-1～D8.8-1、D8.1-2～D8.8-2]、128個(gè)光電三極管[BG1.1-1～BG1.8-1、BG1.1-2～BG1.8-2]～[BG8.1-1～BG8.8-1、BG8.1-2～BG8.8-2]、128個(gè)橋路電阻[R1.1-1～R1.8-1、R1.1-2～R1.8-2]～[R8.1-1～R8.8-1、R8.1-2～R8.8-2]及64個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)[K1.1～K1.8、K2.1～K2.8]～[K7.1～K7.8、R8.1～K8.8]，或包括有128個(gè)光電耦合器[GD1.1-1～GD1.8-1、GD1.1-2～GD1.8-2]～[GD8.1-1～GD8.8-1、GD8.1-2～GD8.8-2]與64個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)[K1.1～K1.8]～[K8.1～K8.8]。
(3)8個(gè)取閾反饋單元電路包括有16個(gè)反相運(yùn)算放大器[A1-1～A8-1，A1-2～A8-2]、16個(gè)三態(tài)門(mén)[TG1-1～TG8-1、TG1-2～TG8-2]和16個(gè)鎖存器[UD1-1～UD8-1，UD1-2～UD8-2]。
權(quán)利要求
1.一種能進(jìn)行記憶、識(shí)別、糾錯(cuò)及分類的注入式電致發(fā)光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路由N個(gè)神經(jīng)元電路及各神經(jīng)元電路之間的連接組成，這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路均同時(shí)包括有N個(gè)輸入及顯示單元電路、N×N個(gè)矩陣元電路和N個(gè)取閾反饋單元電路，以及輸入及顯示、矩陣、取閾反饋這三個(gè)電路之間分別對(duì)應(yīng)連接而構(gòu)成，所述的N是表示整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中所含的神經(jīng)元電路的個(gè)數(shù)，其取值范圍為大于或等于1的整數(shù)，其中1、1、所述的輸入及顯示電路是一種執(zhí)行輸入并對(duì)輸入及反饋輸出進(jìn)行顯示以及向矩陣電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓信號(hào)的電路；該電路由觸發(fā)開(kāi)關(guān)[Ki]、雙穩(wěn)態(tài)電路RSi、驅(qū)動(dòng)電路[GBi]、顯示器[Di]、隔離二極管[Di-1]、復(fù)位開(kāi)關(guān)[K0]及穩(wěn)壓電路[Di-2、Di-3]構(gòu)成；當(dāng)整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中所含神經(jīng)元電路的數(shù)量N大于時(shí)，其輸入及顯示電路將由N個(gè)輸入及顯示單元電路并行構(gòu)成，1、2、所述的矩陣元電路是由矩陣乘法器與矩陣開(kāi)關(guān)組成，其中矩陣乘法器是一種由受輸入和矩陣開(kāi)關(guān)控制的電光轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器和橋電路構(gòu)成的并與后續(xù)的閾值比較器相聯(lián)系的電路，矩陣開(kāi)關(guān)是一種具有三態(tài)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電路，矩陣元電路由采用2N2個(gè)發(fā)光二極管[Dij-1、Dij-2]與2N2個(gè)光電三極管[BGij-1、BGij-2]作為電光、光電轉(zhuǎn)換器，2N2電阻[Rij-1、Rij-2]作為橋電路及N2個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)Kij構(gòu)成；或采用2N2個(gè)電光、光電轉(zhuǎn)換器件[GDij-1、GDij-2]代替上述的發(fā)光二極管、光電三極管，并以這些電光、光電轉(zhuǎn)換器件的電阻特性作為橋電路以替代電阻[Rij-1、Rij-2]；矩陣開(kāi)關(guān)[Kij]采用計(jì)算機(jī)控制的電子模擬開(kāi)關(guān)；當(dāng)整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中所含神經(jīng)元電路的數(shù)量N大于1時(shí)，其矩陣電路將由N×N個(gè)矩陣元電路構(gòu)成，其構(gòu)成方式為將各矩陣元電路中同一列的矩陣開(kāi)關(guān)的公共端與輸入及顯示單元電路中相對(duì)應(yīng)的輸出端相接，同時(shí)將各矩陣乘法器中的同一行的橋電路的平衡判別點(diǎn)相接，1、3、所述的取閾反饋電路是一種由閾值比較器與反饋控制器組成，以完成比較取閾操作，和通過(guò)鎖存器的G端和OE端可以控制反饋次數(shù)和防止網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)混亂的電路，其中閾值比較器是由運(yùn)算放大器[Ai-1、Ai-2]反相相接構(gòu)成，反饋控制器是由數(shù)據(jù)鎖存器[UDi-1]再加上三態(tài)門(mén)、脈沖發(fā)生及延時(shí)電路[TGi-1、TGi-2]構(gòu)成的，當(dāng)整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中所含神經(jīng)元電路的數(shù)量N大于1時(shí)，其取閾反饋電路將由N個(gè)取閾反饋單元電路構(gòu)成，其構(gòu)成方式為并行構(gòu)成，連接各單元電路中閾值比較器的閾值參考點(diǎn)以賦予同樣的能考電位，并采用同一個(gè)公共的銷存器信號(hào)控制端(G)和采用一個(gè)公共的三態(tài)門(mén)控制端(OE)及相應(yīng)的脈沖產(chǎn)生和延時(shí)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，其特征在于在輸入及顯示電路中雙穩(wěn)態(tài)電路[RSi]采用分立元器件或集成電路實(shí)現(xiàn)或直接采用RS觸發(fā)器，驅(qū)動(dòng)電路[GBi]采用復(fù)合三極管或達(dá)林頓三極管構(gòu)成;顯示器Dl采用具有發(fā)光顯示功能的元器件;穩(wěn)壓電路[Di-2、Di-3]采用具有穩(wěn)壓作用的穩(wěn)壓二極管或由2個(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，其特征在于在所述的輸入及顯示、矩陣、取閾反饋之電路中各個(gè)元器件的下標(biāo)“ij”的取值與表示神經(jīng)元電路數(shù)量的“N”的值相同，電路中的復(fù)位開(kāi)關(guān)[Ko]、觸發(fā)開(kāi)關(guān)[Ki]、矩陣開(kāi)關(guān)[Kij]都可采用由計(jì)算機(jī)控制的電子模擬開(kāi)關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，其特征在于當(dāng)神經(jīng)元電路的數(shù)量為N＝4時(shí)，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路由4個(gè)輸入及顯示單元電路、4×4個(gè)矩陣元電路和4個(gè)取閾反饋單元電路組成，其中4個(gè)輸入及顯示單元電路包括有4個(gè)RS觸發(fā)器[RS1～RS4]、4個(gè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)[K1～K4]、4個(gè)隔離二極管[D1-1～D4-1]、1個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)[Ko]，由4個(gè)復(fù)合管[BG1～BG4]構(gòu)成的4個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，由8個(gè)二極管[D1-2～D4-2、D1-3～D4-3]構(gòu)成的4個(gè)穩(wěn)壓電路和4個(gè)發(fā)光二極管[D1～D4];4×4個(gè)矩陣元電路包括有32個(gè)發(fā)光二極管[D1.1-1～D1.4-1，D1.1-2～D1.4-2，D2.1-1～D2.4-1，D2.1-2～D2.4-2，D3.1-1～D3.4-1，D3.1-2～D3.4-2，D4.1-1～D4.4-1，D4.1-2～D4.4-2]和32個(gè)光電三極管[BG1.1-1～BG1.4-1，BG1.1-2～BG1.4-2，BG2.1-1～BG2.4-1，BG2.1-2～BG2.4-2，BG3.1-1～BG3.4-1，BG3.1-2～BG3.4-2，BG4.1-1～BG4.4-1，BG4.1-2～BG4.4-2]、32個(gè)橋路電阻[R1.1-1～R1.4-1，R1.1-2～R1.4-2，R2.1-1～R2.4-1，R2.1-2～R2.4-2，R3.1-1～R3.4-1，R3.1-2～R3.4-2，R4.1-1～R4.4-1，R4.1-2～R4.4-2]及16個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)[K1.1～K1.4，K2.1～K2.4，K3.1～K3.4，K4.1～K4.4]，或者包括有32個(gè)光電耦合器[GD1.1-1～GD1.4-1，GD1.1-2～GD1.4-2，GD2.1-1～GD2.4-1，GD2.1-2～GD2.4-2，GD3.1-1～GD3.4-1，GD3.1-2～GD3.4-2，GD4.1-1～GD4.4-1，GD4.1-2～GD4.4-2]與16個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)[K1.1～K1.4，K2.1～K2.4，K3.1～K3.4，K4.1～K4.4]，4個(gè)取閾反饋單元電路包括有8個(gè)反相運(yùn)算放大器[A1-1～A4-1、A1-2～A4-2]、8個(gè)三態(tài)門(mén)[TG1-1～TG4-1、TG1-2～TG4-2]和8個(gè)鎖存器[UD1-1、UD1-2，UD2-1、UD2-2，UD3-1、UD3-2，UD4-1、UD4-2]。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路，其特征在于當(dāng)神經(jīng)無(wú)電路的數(shù)量為N＝8時(shí)，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路由8個(gè)輸入及顯示單元電路、8×8個(gè)矩陣元電路及8個(gè)取閾反饋單元電路組成，其中8個(gè)輸入及顯示單元電路包括有8個(gè)RS觸發(fā)器[RS1～RS8]，8個(gè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)[K1～K8]，8個(gè)隔離二極管[D1-1～D8-1]，1個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)[Ko]，由8個(gè)復(fù)合管[BG1～BG8]構(gòu)成的8個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，由16個(gè)二極管[D1-2～D8-2，D1-3～D8-3]構(gòu)成的4個(gè)穩(wěn)壓電路，8×8個(gè)矩陣元電路包括有128個(gè)發(fā)光二極管[D1.1-1～D1.8-1、D1.1-2～D1.8-2]～[D8.1-1～D8.8-1、D8.1-2～D8.8-2]、128個(gè)光電三極管[BG1.1-1～BG1.8-1、BG1.1-2～BG1.8-2]～[BG8.1-1～BG8.8-1、BG8.1-2～BG8.8-2]、128個(gè)橋電路電阻[R1.1-1～R1.8-1、R1.1-2～R1.8-2]～[R8.1-1～R8.8-1、R8.1-2～R8.8-2]及64個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)[K1.1～K1.8]～[K8.1～K8.8]，或包括有128個(gè)光耦合器[GD1.1-1～GD1.8-1、GD1.1-2～GD1.8-2]～[GD8.1-1～GD8.8-1、GD8.1-2～GD8.8-2]與64個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)[K1.1～K1.8]～[K8.1～K8.8]。8個(gè)取閾反饋單元電路包括有16個(gè)反相運(yùn)算放大器[A1-1～A8-1，A1-2～A8-2]、16個(gè)三態(tài)門(mén)[TG1-1～TG8-1、TG1-2～TG8-2]和16個(gè)鎖存器[UD1-1～UD8-1，UD1-2～UD8-2]。
全文摘要
本發(fā)明是一種具有Hopfleld模型集合特性的光電混合型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路。該電路由含有輸入及顯示、矩陣、取閾反饋三個(gè)基本電路的多個(gè)神經(jīng)元電路組成，能夠模擬人腦神經(jīng)元細(xì)胞的作用進(jìn)行記憶、識(shí)別、糾錯(cuò)、分類?？蓮V泛的應(yīng)用于智能化的工業(yè)裝置、家電和各種電控設(shè)備上，并可制成大數(shù)目的神經(jīng)元集成電路芯片硬件實(shí)現(xiàn)更大量的存貯以及與計(jì)算機(jī)相聯(lián)進(jìn)行工作。
文檔編號(hào)G06F15/18GK1078053SQ9210325
公開(kāi)日1993年11月3日 申請(qǐng)日期1992年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月27日
發(fā)明者林是, 陳奮銑, 郭棟, 徐慎初 申請(qǐng)人:福建師范大學(xué)