JPH076192A - 信号統合回路 - Google Patents

信号統合回路

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JPH076192A
JPH076192A JP5172552A JP17255293A JPH076192A JP H076192 A JPH076192 A JP H076192A JP 5172552 A JP5172552 A JP 5172552A JP 17255293 A JP17255293 A JP 17255293A JP H076192 A JPH076192 A JP H076192A
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JP
Japan
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mos transistor
transistor
equation
input
terminal
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JP5172552A
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English (en)
Inventor
Kokuriyou Kotobuki
国梁 寿
Sunao Takatori
直 高取
Makoto Yamamoto
山本  誠
Chikashi Oosawa
庶 大澤
Akira Urushibata
晶 漆畑
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TAKAYAMA KK
TAKAYAMA KK
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TAKAYAMA KK
TAKAYAMA KK
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Priority to US08/472,461 priority patent/US5600270A/en
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 消費電力が極めて少なく、且つ大規模集積化
が可能なニューロンの電子工学的モデルを実現する。 【構成】 入力信号V1n,V1(n-1), V1(n-2), V1(n-
3), ・・はコンデンサC1n, C1(n-1), C1(n-2), C1
(n-3), ・・を介してエンハスメント型pMOSトラン
ジスタT1のゲート端子に印加する。入力信号V2m,V
2(m-1), V2(m-2),V2(m-3), ・・はコンデンサC2m,
C2(m-1), C2(m-2), C2(m-3), ・・を介してエンハス
メント型nMOSトランジスタT2のゲート端子に印加
する。出力電圧は、トランジスタT1のソース端子及び
トランジスタT2のドレイン端子から出力する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、学習・自己組織化能力
を持ち、並列分散処理を高速に行うことができるニュー
ラルコンピュータの基本素子であるニューロンの電子回
路モデルに関する。
【0002】
【従来の技術】現在広く一般に使用されているコンピュ
ータは、ノイマン型コンピュータと呼ばれ、一定のプロ
グラムに従って逐次処理を行うコンピュータである。し
かし、この様なノイマン型コンピュータでは1つのCP
Uが一つ一つのコマンドをデコードして処理を行うた
め、その処理速度には自ずと限界がある。そこで、複数
の処理を同時平行処理できると共に、自己学習能力を持
つ並列処理能力に優れた脳の機能を模倣したニューラル
コンピュータに大きな期待が寄せられている。
【0003】この様なニューラルコンピュータを実現す
るためには、脳の基本構成素子である神経細胞(ニュー
ロン)を電子工学的に実現した素子が必要になる。この
様なニューロンをネットワークしたアナログ電子回路モ
デルを図4に示す。この図に示す様に、ニューロンの中
心となる細胞体はオペアンプ10、11、12で表さ
れ、ニューロンから次のニューロンに伝達される活動電
位の能動伝送路である軸索は、オペアンプ10、11、
12の出力段から他のオペアンプの入力に接続される信
号線15、16で表される。また、軸索と細胞体の活動
電位入力端とを繋ぐシナプスは抵抗器18で表される。
【0004】この様に従来では、複数のニューロンから
構成されるニューラルネットワークを電子回路で構成し
た場合、複数のオペアンプと複数の抵抗とを電気信号線
で結線した回路が一般的である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この様なオペ
アンプと抵抗を用いた電子回路では、より高速に各オペ
アンプを駆動させた場合、各オペアンプと抵抗とで消費
される電力が著しく増大し、低消費電力回路を期待でき
ない。しかも、増大する電力消費により発生する熱を効
率良く放熱しなければ、熱破壊を招くため、高度な集積
化は望めない。この結果、脳の機能を実現すべく大量の
ニューロンによってネットワークを構成した場合、電力
供給の点、又は回路規模の点からも極めて困難な問題が
内在する。
【0006】本発明は、以上の点に鑑み、より高速な演
算処理ができると共に、消費電力が極めて少なく、且つ
大規模集積化が可能なニューラルネットワークを構成で
きる信号統合回路を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係る信号統合回
路は、複数の第1入力電圧がそれぞれ第1容量結合素子
を介してゲート端子に印加され、しかもドレイン端子に
ドレイン電圧が印加されるpチャネル第1MOSトラン
ジスタと、複数の第2入力電圧がそれぞれ第2容量結合
素子を介してゲート端子に印加されると共に、ソース端
子にソース電圧が印加されるnチャネル第2MOSトラ
ンジスタとを備え、前記第1MOSトランジスタのソー
ス端子が前記第2MOSトランジスタのドレイン端子に
接続され、前記第1MOSトランジスタと第2MOSト
ランジスタの各キャリアが逆極性であることを特徴とす
る。
【0008】
【作用】第1MOSトランジスタのゲート端子に印加さ
れる第1入力電圧と、第2MOSトランジスタのゲート
端子に印加される第2入力電圧とは、それぞれ第1容量
結合素子、第2容量結合素子、すなわちコンデンサを介
して接続されているので、入力抵抗が極めて高い。ま
た、第1入力電圧が増大すれば、第1MOSトランジス
タを流れるドレイン電流が増大し、第1MOSトランジ
スタのソース端子及び第2MOSトランジスタのドレイ
ン端子から出力される電圧が上昇する。しかし、第2入
力電圧が増大すれば、第2MOSトランジスタを流れる
ドレイン電流が増大するので出力電圧は低下する。
【0009】これにより、第1入力電圧をニューロンへ
の興奮性入力と、第2入力電圧をニューロンの抑制性入
力とすることができる。
【0010】
【実施例】ニューロン間の相互作用を決定するシナプス
結合には、興奮性と抑制性の二つがある。つまり一つの
ニューロンに興奮性のシナプスを介して入力があったと
き、そのニューロンの出力が「1」となり、抑制性のシ
ナプスを介した入力がそのニューロンにあったとき、そ
のニューロンの出力が「0」となる。この様な興奮性入
力に対して出力が「1」、抑制性入力に対して出力が
「0」となるニューロンの電子回路モデルを図1に示
す。
【0011】この図において、入力信号V1n,V1(n-
1), V1(n-2), V1(n-3), ・・・・はコンデンサC1n,
C1(n-1), C1(n-2), C1(n-3), ・・・・を介してエン
ハンスメント型pMOSトランジスタT1のゲート端子
に接続されており、入力信号V2m,V2(m-1), V2(m-
2), V2(m-3), ・・・・はコンデンサC2m, C2(m-1),
C2(m-2), C2(m-3), ・・・・を介してエンハンスメン
ト型nMOSトランジスタT2のゲート端子に接続され
ている。そして、エンハンスメント型pMOSトランジ
スタT1のドレイン端子は電源Vdに接続されており、
ソース端子はエンハンスメント型nMOSトランジスタ
T2のドレイン端子に接続されている。
【0012】エンハンスメント型nMOSトランジスタ
T2のソース端子は電源Vdより低い電圧、例えばグラ
ンド等の電源Vssに接続されている。そしてエンハンス
メント型pMOSトランジスタT1のソース端子から出
力信号が外部へと出力される。
【0013】以上の構成においてその動作を説明する。
図1 において、
【数1】 であるとすると、つまり飽和領域でトランジスタT1、
T2が使用されているとすると、トランジスタT1 及び
トランジスタT2を流れる電流は近似的に次のように表
すことができる。
【0014】トランジスタT1 を流れる電流は、
【数2】 トランジスタT2を流れる電流は、
【数3】 となる。
【0015】上記数2、3において各変数は次のように
定義される。
【数4】
【0016】図1において、出力端子からの電流の流入
若しくは流出がないとすると、上記数2と数3とは等し
くなり、
【数5】 となる。
【0017】この数5において、計算の便宜上つぎの様
に定義すると、
【数6】 これにより、数5は、
【数7】 となる。
【0018】さらにこの数7において、
【数8】 とおくと、
【数9】
【数10】 となる。
【0019】この数10において、X=0であると、
【数11】 になり、X→∞に発散すると、
【数12】 となる。上記数10をXに対する出力Vout をプロット
すると図2のようになる。
【0020】また、参考にためXの逆数、即ち、
【数13】 としたときの出力Vout を求める式は、
【数14】 となる。この数14を、Zに対する出力Vout をプロッ
トしたグラフを図3に示す。
【0021】これら図2、3に示すように、変数X又は
変数Zがより小さい程、出力Voutの傾斜は大きく、大
きくなる程その傾斜は緩やかになる。このことから、ト
ランジスタT1のゲート電圧Vg1とトランジスタT2の
ゲート電圧Vg2の比、すなわち入力信号V1n,V1(n-
1), V1(n-2), V1(n-3), ・・の和と入力信号V2m,V
2(m-1), V2(m-2), V2(m-3), ・・の和の比が小さい
程、その出力Vout に与える影響が大きく、比が大きく
なるほどその出力Vout に与える影響が小さくなる。
【0022】また、数10をV1 で偏微分すると、
【数15】 となり、
【0023】数10をV2 で偏微分すると、
【数16】 となる。
【0024】これら数15、16から判るように、トラ
ンジスタT2のゲート電圧Vg2である入力信号V2m,V
2(m-1), V2(m-2), V2(m-3), ・・・・の和が一定の場
合に、トランジスタT1のゲート電圧Vg1である、入力
信号V1n,V1(n-1), V1(n-2), V1(n-3), ・・・・の
和が増大すると、出力Vout は増加し、しかも入力信号
V1n,V1(n-1), V1(n-2), V1(n-3), ・・・・の和の
増大に拘らず、出力Vout は数11で表す値に収束す
る。
【0025】同じように、入力信号V1n,V1(n-1), V
1(n-2), V1(n-3), ・・・・の和が一定の場合に、入力
信号V2m,V2(m-1), V2(m-2), V2(m-3), ・・・・の
和が増大すると、出力Vout は減少し、数12の値に収
束する。ただし、出力Voutは電源Vd以上又は電源Vs
s以下にはならない。従って、実際には、通常の出力Vo
ut が電源電圧Vdに近づくとその出力の増加は鈍る。
逆に、出力Vout が電源Vssに近くなると、その減少の
度合いが小さくなる。
【0026】また、トランジスタT2のゲート電圧Vg2
が一定ならば、トランジスタT1 のゲート電圧Vg1の増
大に伴って徐々に増加する非線形特性を図1の回路は持
つ。このように、入力信号V1n,V1(n-1), V1(n-2),
V1(n-3), ・・・・は、ニューロンにおける興奮性シナ
プスを介して細胞体に入力される信号と、入力信号V2
m,V2(m-1), V2(m-2), V2(m-3), ・・・・は抑制性
シナプスを介して細胞体に入力される信号とすることが
でき、極めて簡単な回路構成で、ニューロンをモデリン
グすることができる。
【0027】また、各入力信号V1n,V2mに対する出力
Vout の変化の割りあい、即ちニューロンにおける発火
のしやすさ又はしにくさを調整するには、コンデンサC
1n,C2mの各値を調整すればよい。コンデンサを集積回
路内に設けることは、二酸化シリコンを金属配線とエミ
ッタ拡散層でサンドイッチすることで容易に形成するこ
とができる。加えて、コンデンサを介してMOSトラン
ジスタのゲート端子に入力を印加するので、入力抵抗を
極めて高くすることができ、消費電力を極めて少なくす
ることができる。従って、本実施例によれば、大規模な
ニューラルネットワークを構成する場合、各ニューロン
を極めて簡単な素子で構成できると共に、各ニューロン
における消費電力をMOSトランジスタを用いたことに
より極めて小さくすることができるので、ニューロンを
集積化することが可能になり、低消費電力で且つ高速動
作が可能なニューラルネットワークを構成することがで
きる。
【0028】
【発明の効果】以上のように本発明の信号統合回路によ
れば、より高速な演算処理ができると共に、消費電力が
極めて少なく且つ大規模集積化が可能な、ニューラルネ
ットワークを構成するニューロンの電子工学的モデルを
実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例回路図である。
【図2】図1の回路においてV2/V1 に対する出力Vou
t の変化を示す図である。
【図3】図1の回路においてV1/V2 に対する出力Vou
t の変化を示す図である。
【図4】従来例を示す図である。
【符号の説明】
T1 エンハンスメント型pMOSトランジスタ T2 エンハンスメント型nMOSトランジスタ C1n、C2m コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大澤 庶 東京都世田谷区北沢3−5−18 鷹山ビル 株式会社鷹山内 (72)発明者 漆畑 晶 東京都世田谷区北沢3−5−18 鷹山ビル 株式会社鷹山内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の第1入力電圧がそれぞれ第1容量
    結合素子を介してゲート端子に印加され、しかもドレイ
    ン端子にドレイン電圧が印加される第1MOSトランジ
    スタと、複数の第2入力電圧がそれぞれ第2容量結合素
    子を介してゲート端子に印加されると共に、ソース端子
    にソース電圧が印加される第2MOSトランジスタとを
    備え、前記第1MOSトランジスタのソース端子が前記
    第2MOSトランジスタのドレイン端子に接続され、前
    記第1MOSトランジスタと第2MOSトランジスタの
    各キャリアが逆極性であることを特徴とする信号統合回
    路。
  2. 【請求項2】 前記第1MOSトランジスタのキャリア
    が正孔であり、前記第2MOSトランジスタのキャリア
    が電子であることを特徴とする請求項1記載の信号統合
    回路。
JP5172552A 1993-04-01 1993-06-18 信号統合回路 Pending JPH076192A (ja)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5172552A JPH076192A (ja) 1993-06-18 1993-06-18 信号統合回路
US08/262,059 US5666080A (en) 1993-06-17 1994-06-17 Computational circuit
CN94115394A CN1117172A (zh) 1993-06-17 1994-09-16 计算电路
US08/467,827 US5568080A (en) 1993-06-17 1995-06-06 Computational circuit
US08/468,762 US5617053A (en) 1993-06-17 1995-06-06 Computational circuit
US08/472,461 US5600270A (en) 1993-06-18 1995-06-07 Computational circuit
US08/487,154 US5563544A (en) 1993-06-17 1995-06-07 Computational circuit
US08/766,875 US5774008A (en) 1993-04-01 1996-12-13 Computational circuit

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