JP3191678B2 - Neuro element - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、人間の脳の神経系
を模倣したニューラルネットワークを構成するためのニ
ューロ素子に関し、特に、半導体集積回路で容易に実現
できるニューロ素子に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a neural element for constructing a neural network imitating the nervous system of the human brain, and more particularly to a neural element which can be easily realized by a semiconductor integrated circuit.
【0002】[0002]
【従来の技術】人間の脳の神経系を模倣したニューラル
ネットワークを有する情報処理装置(ニューロコンピュ
ータ)が注目されている。このようなニューロコンピュ
ータは、所定の学習アルゴリズムに従って多数のニュー
ロン間の結合強度を変更することにより、ノイマン型コ
ンピュータが不得意であるあいまいな情報処理における
解を得ることができる。2. Description of the Related Art An information processing apparatus (neurocomputer) having a neural network imitating the nervous system of the human brain has been receiving attention. Such a neurocomputer can obtain an ambiguous solution in information processing that Neumann-type computers are not good at by changing the connection strength between many neurons according to a predetermined learning algorithm.
【0003】ニューラルネットワークをプログラムでは
なく装置として実現するために必要であるニューロ素子
の従来例として、特開平3−144785号公報にEEPROMを用
いたものが提案されている。このニューロ素子では、各
入力信号にそれぞれの係数を乗算し、それらの合計を例
えばシグモイド関数のようなしきい値関数に入力し、そ
の関数の計算値をニューロ素子の出力としている。As a conventional example of a neural element necessary for realizing a neural network as a device instead of a program, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-144785 discloses a device using an EEPROM. In this neuro element, each input signal is multiplied by a coefficient, the sum of the coefficients is input to a threshold function such as a sigmoid function, and the calculated value of the function is used as the output of the neuro element.
【0004】一方、しきい値関数とは異なり、動径基底
関数を用いたニューラルネットワークも考案されている
が、この種のニューラルネットワークをハードウェアに
て実現する構成としては、ガウス関数を動径基底関数と
したニューラルネットワークについてのみが知られてい
る(“A Gaussian Synapse Circuit For Analog VLSINe
ural Networks")。On the other hand, unlike a threshold function, a neural network using a radial basis function has been devised. However, as a configuration for realizing this kind of neural network by hardware, a Gaussian function is used for the radial network. Only a neural network with a basis function is known (“A Gaussian Synapse Circuit For Analog VLSINe
ural Networks ").
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ガウス関数を動径基底
関数とするニューラルネットワークを構成するためのニ
ューロ素子の回路は複雑であり、その製造も容易ではな
いため、高集積化が困難であり、ノード数が多いニュー
ラルネットワークを構築することができないという問題
があった。The circuit of a neural element for constructing a neural network using a Gaussian function as a radial basis function is complicated and its manufacture is not easy, so that high integration is difficult. There is a problem that a neural network having a large number of nodes cannot be constructed.
【0006】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、ニューラルネットワ
ークの仮想するノードへの入力を、2つのトランジスタ
の少なくとも一方のトランジスタへの入力とする差動増
幅器と、該差動増幅器から得られる一方のみのトランジ
スタの出力を用いて、前記両トランジスタの出力の積を
演算する演算部とを備えることによって、動径基底関数
を用いたニューラルネットワークを簡単な構成のハード
ウェアで実現して、高集積化することができるニューロ
素子を提供することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object the difference that an input to a virtual node of a neural network is an input to at least one of two transistors. A neural network using a radial basis function can be simplified by providing a dynamic amplifier and an arithmetic unit for calculating the product of the outputs of the two transistors using the output of only one transistor obtained from the differential amplifier. It is an object of the present invention to provide a neuro element which can be realized by hardware having a simple configuration and can be highly integrated.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】第1発明に係るニューロ
素子は、動径基底関数を用いてニューラルネットワーク
を構成するためのニューロ素子において、2個のトラン
ジスタを有し、前記ニューラルネットワークの仮想する
ノードへの入力を、前記両トランジスタの少なくとも一
方のトランジスタへの入力とする差動増幅器と、該差動
増幅器から得られる一方のみのトランジスタの出力を用
いて、前記両トランジスタの出力の積を演算する演算部
とを備えることを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, there is provided a neural element for constructing a neural network using a radial basis function. The neural element has two transistors and is a virtual element of the neural network. Using a differential amplifier in which an input to a node is an input to at least one of the two transistors and an output of only one transistor obtained from the differential amplifier, a product of outputs of the two transistors is calculated. And a calculation unit that performs the calculation.
【0008】第2発明に係るニューロ素子は、第1発明
において、前記演算部は2対の信号入力端子及び基準入
力端子が設けてある乗算器を備えており、一対には、信
号入力端子に一方のトランジスタの出力電圧を、基準入
力端子に前記差動増幅器に印加する電源電圧の1/2の
電圧を与え、他対には、信号入力端子に前記電源電圧の
1/2の電圧を、基準入力端子に一方のトランジスタの
出力電圧を与えるようになしてあることを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the arithmetic unit includes a multiplier provided with two pairs of signal input terminals and a reference input terminal. An output voltage of one of the transistors is applied to the reference input terminal with a voltage of 1/2 of the power supply voltage applied to the differential amplifier, and the other pair is supplied with a voltage of 1/2 of the power supply voltage at the signal input terminal. An output voltage of one transistor is supplied to a reference input terminal.
【0009】第3発明に係るニューロ素子は、第1又は
第2発明において、前記動径基底関数が、f(b,x)
=A/{1+cosh(bx)}(但し、A:定数,
b:学習則によって決定されるパラメータ)であること
を特徴とする。A neuron according to a third aspect is the neuron according to the first or second aspect, wherein the radial basis function is f (b, x).
= A / {1 + cosh (bx)} (where A: constant,
b: a parameter determined by a learning rule).
【0010】図4は本発明に係るニューロ素子に備えら
れた差動増幅器の構成を示す回路図であり、図中Q1 ,
Q2 はバイポーラトランジスタ又はMOSトランジスタ
等のトランジスタである。トランジスタQ1 のコレクタ
は、一方の抵抗Rc を介して定電圧源21に接続してい
る。トランジスタQ1 のベースは、入力信号源24及び一
端が接地された一方の電源23の直列回路に接続されてい
る。トランジスタQ1 のエミッタは、一方の可変抵抗R
E を介して一端が接地された定電流源22に接続してい
る。トランジスタQ2 のコレクタは、他方の抵抗Rc を
介して定電圧源21に接続している。トランジスタQ2 の
ベースは、一端が接地された他方の電源23に接続されて
いる。トランジスタQ2 のエミッタは、他方の可変抵抗
RE を介して定電流源22に接続している。これらの両ト
ランジスタQ1 ,Q2 の特性は同一である。また、両可
変抵抗RE は、図示しない外部からの制御電圧に応じて
その抵抗値を調整できる可変抵抗である。[0010] Figure 4 is a circuit diagram showing a configuration of a differential amplifier provided in neuro device according to the present invention, reference numeral Q 1,
Q 2 is a transistor such as a bipolar transistor or a MOS transistor. The collector of the transistor Q 1 is, connected to a constant voltage source 21 through one resistor R c. The base of transistor Q 1 is the input signal source 24 and one end is connected to a series circuit of one of the power supply 23 is grounded. The emitter of the transistor Q 1 is, one variable resistor R
One end is connected via E to a constant current source 22 whose one end is grounded. The collector of the transistor Q 2 are connected to a constant voltage source 21 via the other resistor R c. The base of transistor Q 2 is one end connected to the other power supply 23 is grounded. The emitter of the transistor Q 2 are connected to the constant current source 22 via the other variable resistor R E. The characteristics of these two transistors Q 1 and Q 2 are the same. Both variable resistors RE are variable resistors whose resistance values can be adjusted according to an external control voltage (not shown).
【0011】前述した電源23,23は、回路の動作電圧を
設定するために一定のバイアス電圧VBIASを印加する。
また、入力信号源24は、時間的に変化する入力信号とし
ての入力電圧Vinを印加する。The aforementioned power supplies 23, 23 apply a constant bias voltage V BIAS to set the operating voltage of the circuit.
The input signal source 24 applies an input voltage V in as an input signal which varies with time.
【0012】ここで、両可変抵抗RE ,RE の値を0と
した場合、トランジスタQ1 ,Q2に流れるコレクタ電
流I1 ,I2 はそれぞれ、「改訂 集積回路工学
(2)」(コロナ社 柳井,永田著)の35ページに示さ
れているように、次の(1)式,(2)式によって表さ
れる。但し、(1)式,(2)式において、αは電流増
幅率、IEEは定電流源22の電流値、qは電子の電荷量、
kはボルツマン定数、Tは温度である。[0012] Here, both the variable resistor R E, if set to 0 the value of R E, transistor Q 1, the collector current I 1 flowing in the Q 2, I 2, respectively, "revised integrated circuits Engineering (2)" ( As shown on page 35 of Corona Publishing, written by Yanai and Nagata), it is expressed by the following equations (1) and (2). In the equations (1) and (2), α is the current amplification factor, I EE is the current value of the constant current source 22, q is the charge amount of electrons,
k is Boltzmann's constant and T is temperature.
【0013】[0013]
【数1】 (Equation 1)
【0014】上記(1)式,(2)式に基づいてI1 ,
I2 の積を計算すると、その乗算値I1 ・I2 は下記
(3)式のようになる。Based on the above equations (1) and (2), I 1 ,
When the product of I 2 is calculated, the multiplied value I 1 · I 2 is given by the following equation (3).
【0015】[0015]
【数2】 (Equation 2)
【0016】図5は、I1 ・I2 とVinとの関係を示す
グラフであり、横軸はVin、縦軸はI1 ・I2 を示して
いる。グラフは、縦軸つまりVin=0に関して対称であ
り、Vin=0のときに最大値(αIEE)2 /4を取る。[0016] Figure 5 is a graph showing the relationship between I 1 · I 2 and V in, the horizontal axis represents the V in, the vertical axis represents the I 1 · I 2. Graph is symmetrical with respect to the longitudinal axis, i.e. V in = 0, maximum at V in = 0 take (αI EE) 2/4.
【0017】ここで、可変抵抗RE の抵抗値を0から大
きくしていくと、グラフの形状が、図5に破線で示すよ
うに、徐々に膨らんでくる。このことは、上記(3)式
にパラメータbを導入して下記(4)式のようにした場
合と同じ効果を奏する。[0017] Here, when the resistance value of the variable resistor R E is increased from 0, the shape of the graph, as indicated by a broken line in FIG. 5, comes swell gradually. This has the same effect as the case where the parameter b is introduced into the above equation (3) and the following equation (4) is used.
【0018】[0018]
【数3】 (Equation 3)
【0019】この(4)式において、α,IEEの何れも
が一定値となるので、(4)式の分子の値が定数とな
り、I1 ・I2 が動径基底関数f(b,x)を示す
(5)式に相当する。 f(b,x)=A/{1+cosh(bx)} …(5) 但し、A:定数, b:学習則によって決定されるパラ
メータ cosh(bx)={exp(bx)+exp(−b
x)}/2In equation (4), since both α and I EE are constant values, the value of the numerator in equation (4) is a constant, and I 1 · I 2 is the radial basis function f (b, x) corresponds to equation (5). f (b, x) = A / {1 + cosh (bx)} (5) where A: constant, b: parameter determined by learning rule cosh (bx) = {exp (bx) + exp (−b)
x)} / 2
【0020】ここで、図4より、両トランジスタQ1 ,
Q2 のコレクタ電流I1 ,I2 によって生ずるコレクタ
電圧V1 ,V2 は次の(6)式及び(7)式で表すこと
ができ、両式よりV1 ・V2 は、次の(8)式となる。
なお、Vccは定電圧源21の電源電圧である。 V1 =VCC−RC ・I1 …(6) V2 =VCC−RC ・I2 …(7) V1 ・V2 =VCC 2 −VCC・RC ・(I1 +I2 )+I1 ・I2 ・RC 2 =VCC 2 −VCC・RC ・IEE+I1 ・I2 ・RC 2 =定数+I1 ・I2 ・RC 2 …(8)FIG. 4 shows that both transistors Q 1 ,
Collector voltage V 1, V 2 generated by the collector current I 1, I 2 Q 2 'may be represented by the following formula (6) and (7), V 1 · V 2 from both equations, the following ( 8)
Vcc is the power supply voltage of the constant voltage source 21. V 1 = V CC -R C · I 1 (6) V 2 = V CC -R C · I 2 (7) V 1 · V 2 = V CC 2 -V CC · R C · (I 1 + I 2 ) + I 1 · I 2 · R C 2 = V CC 2 -V CC · R C · I EE + I 1 · I 2 · R C 2 = constant + I 1 · I 2 · R C 2 ... (8)
【0021】従って、両トランジスタQ1 ,Q2 のオン
抵抗が同じで、両可変抵抗RE の抵抗値が同じである場
合、(8)式より、コレクタ電圧V1 ,V2 の積は、コ
レクタ電流I1 ,I2 の積を定数倍して定数を加えた値
となり、V1 ・V2 と動径基底関数f(b,x)の値と
は比例することが分かる。[0021] Therefore, the on resistance of the transistors Q 1, Q 2 are the same, if the resistance values of both the variable resistor R E are the same, equation (8), the product of the collector voltage V 1, V 2 is The product is a value obtained by multiplying the product of the collector currents I 1 and I 2 by a constant and adding a constant, and it can be seen that V 1 · V 2 is proportional to the value of the radial basis function f (b, x).
【0022】一方、(6)式及び(7)式より、コレク
タ電圧V1 ,V2 の関係は次のようである。On the other hand, from the equations (6) and (7), the relationship between the collector voltages V 1 and V 2 is as follows.
【0023】図6はコレクタ電圧V1 ,V2 と入力電圧
Vinとの関係を示すグラフであり、横軸はVinを、縦軸
はV1 又はV2 を示している。また、実線はV1 を、破
線はV2 を示している。図6から明らかな如く、V1 ,
V2 のグラフはVCC/2を軸に軸対称になっている。従
って、V1 ,V2 の間には、次の(9)式が成立する。 V1 −VCC/2=VCC/2−V2 …(9)FIG. 6 is a graph showing the relationship between the collector voltage V 1, V 2 and the input voltage V in, the horizontal axis represents V in, and the vertical axis represents the V 1 or V 2. The solid line indicates V 1 and the broken line indicates V 2 . As apparent from FIG. 6, V 1 ,
Graph of V 2 is in the axially symmetrical axis V CC / 2. Therefore, the following equation (9) is established between V 1 and V 2 . V 1 −V CC / 2 = V CC / 2−V 2 (9)
【0024】ここで、次の(10)式で示すΔVを設定す
ると、V1 ,V2 の積は次の(11)式のように表すこと
ができ、この(11)式より(ΔV)2 を求めることによ
り、V1 ,V2 の積が求められる。 ΔV=V1 −VCC/2=VCC/2−V2 …(10) V1 ・V2 =(VCC/2+ΔV)・(VCC/2−ΔV) =VCC 2 /4−(ΔV)2 =定数−(ΔV)2 …(11)Here, if ΔV shown in the following equation (10) is set, the product of V 1 and V 2 can be expressed as the following equation (11). From this equation (11), (ΔV) by obtaining the 2, product of V 1, V 2 is calculated. ΔV = V 1 −V CC / 2 = V CC / 2−V 2 (10) V 1 · V 2 = (V CC / 2 + ΔV) · (V CC / 2 −ΔV) = V CC 2 / 4− ( ΔV) 2 = constant− (ΔV) 2 (11)
【0025】この(ΔV)2 の演算は、4端子2入力の
乗算器を用いて、次のようにハードウェアとして実現す
ることができる。いま、乗算器の入力Vx ,Vy 及び出
力V out を次の(12)式,(13)式及び(14)式で表
す。 Vx =Va −Vb …(12) Vy =Vc −Vd …(13) Vout =Ve −Vf =Vx ・Vy …(14)This (ΔV)TwoIs a four-terminal two-input
It is realized as hardware using a multiplier as follows.
Can be Now, the input V of the multiplierx, VyAnd out
Force V outIs expressed by the following equations (12), (13) and (14).
You. Vx= Va-Vb … (12) Vy= Vc-Vd … (13) Vout= Ve-Vf= Vx・ Vy …(14)
【0026】ここで、Va =V1 (V2 ),Vb =VCC
/2,Vc =VCC/2,Vd =V1(V2 )となるよう
に乗算器の各入力端子に印加すると、(12)式,(13)
式及び(14)式から、乗算器の入力Vx ,Vy は次の
(15)式及び(16)式となり、従って(17)式のように
乗算器の出力Vout は{−(ΔV)2 }となる。 Vx =V1 (V2 )−VCC/2=ΔV …(15) Vy =VCC/2−V1 (V2 )=−ΔV …(16) Vout =−(ΔV)2 …(17)Here, V a = V 1 (V 2 ), V b = V CC
When / 2, V c = V CC / 2, V d = V 1 (V 2) to be applied to the input terminal of the multiplier so that, (12), (13)
From equations (14) and (14), the inputs V x and V y of the multiplier are given by the following equations (15) and (16). Therefore, as shown in equation (17), the output V out of the multiplier becomes {− (ΔV 2 ) V x = V 1 (V 2 ) -V CC / 2 = ΔV ... (15) V y = V CC / 2-V 1 (V 2) = - ΔV ... (16) V out = - (ΔV) 2 ... (17)
【0027】これによって、(5)式に示す動径基底関
数f(b,x)を用いたニューロ素子を、差動増幅器の
コレクタ電圧V1 ,V2 の内の一方を用いて実現できる
ことになる。この場合、図4に示す回路において可変抵
抗RE の抵抗値を変化させることにより、(4)式に示
す動径基底関数のパラメータbを変化させることができ
る。Thus, a neural element using the radial basis function f (b, x) shown in the equation (5) can be realized using one of the collector voltages V 1 and V 2 of the differential amplifier. Become. In this case, by changing the resistance value of the variable resistor R E in the circuit shown in FIG. 4, it is possible to change the parameters b of radial basis function shown in equation (4).
【0028】[0028]
【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づいて具体的に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be specifically described below with reference to the drawings showing the embodiments.
【0029】図2は、動径基底関数を用いた一般的なニ
ューラルネットワークの構成の一例を示す模式図であ
り、この例では、2次元の入力ベクトルから1次元の出
力ベクトルを得るようになっている。ニューラルネット
ワークは、第1入力ノード1a及び第2入力ノード1bを有
する入力層と、第1中間ノード2a及び第2中間ノード2b
を有する中間層と、出力ノード3を有する出力層とから
構成されている。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a general neural network using a radial basis function. In this example, a one-dimensional output vector is obtained from a two-dimensional input vector. ing. The neural network includes an input layer having a first input node 1a and a second input node 1b, a first intermediate node 2a and a second intermediate node 2b.
And an output layer having an output node 3.
【0030】第1入力ノード1aには入力値in[1]が
入力され、パラメータt[1][1]を用いて変換され
た値が第1中間ノード2aに、パラメータt[2][1]
を用いて変換された値が第2中間ノード2bにそれぞれ出
力される。一方、第2入力ノード1bには入力値in
[2]が入力され、パラメータt[1][2]を用いて
変換された値が第1中間ノード2aに、パラメータt
[2][2]を用いて変換された値が第2中間ノード2b
にそれぞれ出力される。なお、t[1][1],t
[2][1],t[1][2],t[2][2]は動径
基底関数の学習則(例えば確率的勾配降下法,参考文献
“Characterization of complexities in Czochralski
crystal growth by nonlinear forecasting",T.Miyano
et al., J.Appl.Phys. 76(5), 1 September 1994)によ
って決定されるパラメータである。The input value in [1] is input to the first input node 1a, and the value converted using the parameter t [1] [1] is input to the first intermediate node 2a as the parameter t [2] [1]. ]
Are output to the second intermediate node 2b. On the other hand, the input value in is input to the second input node 1b.
[2] is input, and the value converted using the parameter t [1] [2] is stored in the first intermediate node 2a.
[2] The value converted using [2] is the second intermediate node 2b
Respectively. Note that t [1] [1], t
[2] [1], t [1] [2], t [2] [2] are learning rules of radial basis functions (for example, stochastic gradient descent, reference “Characterization of complexities in Czochralski”).
crystal growth by nonlinear forecasting ", T. Miyano
et al., J. Appl. Phys. 76 (5), 1 September 1994).
【0031】第1中間ノード2aは、動径基底関数f
(b,x)を用いてh[1]を下記(18)式のように算
出して出力ノード3へ出力する。また、第2中間ノード
2bは、同様に、動径基底関数f(b,x)を用いてh
[2]を下記(19)式のように算出して出力ノード3へ
出力する。なお、b[1],b[2]は動径基底関数の
学習則によって決定されるパラメータである。The first intermediate node 2a has a radial basis function f
Using (b, x), h [1] is calculated as in the following equation (18) and output to the output node 3. Also, the second intermediate node
2b is similarly calculated using the radial basis function f (b, x) as h
[2] is calculated as in the following equation (19) and output to the output node 3. Note that b [1] and b [2] are parameters determined by the learning rule of the radial basis function.
【0032】[0032]
【数4】 (Equation 4)
【0033】出力ノード3は、下記(20)式のように出
力値out[1]を算出して出力する。なお、c
[1],c[2]は動径基底関数の学習則によって決定
されるパラメータである。 out[1]=c[1]・h[1]+c[2]・h[2] …(20)The output node 3 calculates and outputs an output value out [1] as in the following equation (20). Note that c
[1] and c [2] are parameters determined by the learning rule of the radial basis function. out [1] = c [1] · h [1] + c [2] · h [2] (20)
【0034】このようなニューラルネットワーク構成に
あって、従来例では動径基底関数としてガウス関数を用
いていたが、本発明では下記(5)式に示すような動径
基底関数f(b,x)を使用している。 f(b,x)=A/{1+cosh(bx)} …(5) 但し、A:定数, b:学習則によって決定されるパラ
メータ cosh(bx)={exp(bx)+exp(−b
x)}/2In such a neural network configuration, a Gaussian function is used as a radial basis function in the prior art, but in the present invention, a radial basis function f (b, x ). f (b, x) = A / {1 + cosh (bx)} (5) where A: constant, b: parameter determined by learning rule cosh (bx) = {exp (bx) + exp (−b)
x)} / 2
【0035】なお、上述の例では、入力ベクトルが2次
元、出力ベクトルが1次元であるとしたが、入力,出力
の次元はこれらの値に限定されることはなく、任意であ
って良い。In the above example, the input vector is two-dimensional and the output vector is one-dimensional. However, the dimensions of the input and output are not limited to these values and may be arbitrary.
【0036】図1は、本発明のニューロ素子のハードウ
ェアによる構成を示す回路図である。この回路は、差動
増幅回路部11とバイアス部12,12と演算部15とから構成
されている。差動増幅回路部11は、定電圧源21と、2個
の抵抗Rc と、2個のバイポーラトランジスタ又はMO
Sトランジスタ等のトランジスタQ1 ,Q2 と、2個の
可変抵抗RE と、定電流源22とを有する。また、バイア
ス部12,12は、バイアス電圧を印加するための電源23,
23と、入力信号源24とを有する。このような回路構成例
は公知である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a hardware configuration of the neuro element of the present invention. This circuit includes a differential amplifier circuit section 11, bias sections 12, 12, and an operation section 15. The differential amplifier circuit section 11 includes a constant voltage source 21, two resistors Rc , and two bipolar transistors or MOs.
It has transistors Q 1 and Q 2 such as S transistors, two variable resistors RE, and a constant current source 22. Further, the bias units 12, 12 are provided with a power source 23,
23 and an input signal source 24. Such a circuit configuration example is known.
【0037】トランジスタQ1 のコレクタは、一方の抵
抗Rc を介して定電圧源21に接続している。トランジス
タQ1 のベースは、入力信号源24及び一端が接地された
一方の電源23の直列回路に接続されている。トランジス
タQ1 のエミッタは、一方の可変抵抗RE を介して一端
が接地された定電流源22に接続している。トランジスタ
Q2 のコレクタは、他方の抵抗Rc を介して定電圧源21
に接続している。トランジスタQ2 のベースは、一端が
接地された他方の電源23に接続されている。トランジス
タQ2 のエミッタは、他方の可変抵抗RE を介して定電
流源22に接続している。これらの両トランジスタQ1 ,
Q2 の特性は同一である。また、両可変抵抗RE は、図
示しない外部からの制御電圧に応じてその抵抗値を調整
できる可変抵抗である。The collector of the transistor Q 1 is, connected to a constant voltage source 21 through one resistor R c. The base of transistor Q 1 is the input signal source 24 and one end is connected to a series circuit of one of the power supply 23 is grounded. The emitter of the transistor Q 1 is at one end through one of the variable resistor R E is connected to the constant current source 22 which is grounded. The collector of the transistor Q 2 is the other of the resistor R via the c constant voltage source 21
Connected to The base of transistor Q 2 is one end connected to the other power supply 23 is grounded. The emitter of the transistor Q 2 are connected to the constant current source 22 via the other variable resistor R E. These two transistors Q 1 ,
Characteristics of Q 2 are the same. Both variable resistors RE are variable resistors whose resistance values can be adjusted according to an external control voltage (not shown).
【0038】各電源23,23は、回路の動作電圧を設定す
るために一定のバイアス電圧VBIASを印加する。また、
入力信号源24は、時間的に変化する入力信号としての入
力電圧Vinを印加する。Each of the power supplies 23 applies a constant bias voltage V BIAS to set the operating voltage of the circuit. Also,
Input signal source 24 applies an input voltage V in as an input signal which varies with time.
【0039】図3は、入力信号となるVinを生成する回
路の構成を示すブロック図である。図3に示す構成例
は、n個のパラメータt[1][1],…,t[1]
[n]を入力してVinを生成する一般的な生成回路を表
している。[0039] FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a circuit for generating a V in as an input signal. The configuration example shown in FIG. 3 has n parameters t [1] [1],..., T [1]
This shows a general generation circuit that generates [V in ] by inputting [n].
【0040】図3に示すVin生成回路は、n個の減算器
31とn個の2乗器32と総和器33と平方根演算器34とを有
する。i(1≦i≦n)番目の減算器31は、入力値in
[1]とパラメータt[1][i]との差を求め、その
差を対応するi番目の2乗器32に出力する。i番目の2
乗器32は、入力された差の2乗値を求め、その2乗値を
総和器33に出力する。総和器33は、すべての2乗器32か
らの2乗値を加算し、その加算値を平方根演算器34に出
力する。平方根演算器34は、総和器33からの総和値の平
方根の値を求め、その平方根値に比例した入力電圧Vin
を出力する。The Vin generating circuit shown in FIG. 3 has n subtracters.
It has 31, n squarers 32, a summer 33, and a square root calculator 34. The i-th (1 ≦ i ≦ n) -th subtractor 31 outputs the input value in
The difference between [1] and the parameter t [1] [i] is determined, and the difference is output to the corresponding ith squarer 32. i-th 2
The multiplier 32 calculates the square value of the input difference, and outputs the square value to the summer 33. The summer 33 adds the square values from all the squarers 32 and outputs the added value to the square root calculator 34. The square root calculator 34 finds the value of the square root of the total value from the summer 33, and calculates the input voltage Vin in proportion to the square root value.
Is output.
【0041】なお、入力電圧Vinは、図1に示すニュー
ラルネットワークにおける第1中間ノード2aを例にする
と、次の(21)式に示す値に比例した電圧である。[0041] The input voltage V in, when the example of the first intermediate node 2a in the neural network shown in FIG. 1, a voltage proportional to the values shown in the following equation (21).
【0042】[0042]
【数5】 (Equation 5)
【0043】前述した差動増幅回路部11にあっては、両
トランジスタQ1 ,Q2 のオン抵抗が同じで、両可変抵
抗RE の抵抗値が実質的に同じである。トランジスタQ
1 のベースに入力信号源24から入力電圧Vinが与えられ
た場合、コレクタ電圧V1 ,V2 の積の値(V1 ・
V2 )は、コレクタ電流I1 ,I2 の積を定数倍して定
数を加えた値となり、V1 ・V2 と、上記(5)式で示
した動径基底関数f(b,x)の値とは比例する。[0043] In the differential amplifier circuit section 11 described above, the transistors Q 1, Q 2 of the on-resistance is the same, the resistance values of both the variable resistor R E is substantially the same. Transistor Q
When the input voltage V in from input signal source 24 is applied to the first base, collector voltage V 1, V 2 of the product of the values (V 1 ·
V 2 ) is a value obtained by multiplying the product of the collector currents I 1 and I 2 by a constant and adding a constant. V 1 · V 2 and the radial basis function f (b, x ) Is proportional to the value.
【0044】トランジスタQ1 ,Q2 の内の一方、図1
にあってはトランジスタQ2 のコレクタは、演算部15に
備えられた4端子2入力の乗算器16に設けてある第1信
号端子S1 及び第2基準端子C2 にそれぞれ接続してあ
り、両端子S1 ,C2 にはコレクタ電圧V2 がそれぞれ
与えられる。演算部15には差動増幅回路部11に備えられ
た定電圧源21の電源電圧Vccの半値を出力し、一端が接
地してある電源25が備えられており、該電源25の他端は
乗算器16に設けてある第1基準端子C1 及び第2信号端
子S2 に接続してあり、両端子C1 ,S2 にはVcc/2
がそれぞれ与えられる。乗算器16は、第1信号端子S1
と第1基準端子C1 との間の電圧、及び第2信号端子S
2 と第2基準端子C2 との間の電圧を入力として両者を
乗算し、その結果を{−(ΔV)2 }として出力端子OU
T 1 ,OUT 2 から出力する。そして、演算部15は乗算器
16の出力端子OUT 1 ,OUT 2 間の電圧を用いて、V1 ・
V 2 を求め、求めた値を用いて動径基底関数f(b,
x)の値を求めてそれを出力する。Transistor Q1, QTwoFigure 1
The transistor QTwoThe collector of the
The first signal provided in the provided four-terminal two-input multiplier 16 is provided.
No. terminal S1And the second reference terminal CTwoConnected to
And both terminals S1, CTwoIs the collector voltage VTwoIs each
Given. The arithmetic unit 15 is provided in the differential amplifier circuit unit 11.
Power supply voltage V of constant voltage source 21ccIs output, and one end is connected.
Power supply 25 is provided, and the other end of the power supply 25 is
A first reference terminal C provided in the multiplier 161And the second signal end
Child STwoAnd both terminals C1, STwoHas Vcc/ 2
Are given respectively. The multiplier 16 has a first signal terminal S1
And the first reference terminal C1And the second signal terminal S
TwoAnd the second reference terminal CTwoWith the voltage between
Multiply and multiply the result by {-(ΔV)TwoOutput terminal OU as}
T1, OUTTwoOutput from The operation unit 15 is a multiplier
16 output terminals OUT1, OUTTwoUsing the voltage between1・
V TwoIs obtained, and the radial basis function f (b,
Find the value of x) and output it.
【0045】以上のように本発明では、(5)式に示す
動径基底関数を、集積回路で容易に製造可能な差動増幅
器,乗算器等を有する回路のみで実現することができる
と共に、差動増幅器と乗算器との間の配線を可及的に少
なくすることができ、高集積化が図れる。As described above, according to the present invention, the radial basis function represented by the expression (5) can be realized only by a circuit having a differential amplifier, a multiplier, and the like which can be easily manufactured by an integrated circuit. Wiring between the differential amplifier and the multiplier can be reduced as much as possible, and high integration can be achieved.
【0046】なお、図1にあっては、トランジスタ
Q1 ,Q2 のエミッタに可変抵抗RE ,RE を接続して
あるが、本発明はこれに限らず、トランジスタQ1 ,Q
2 のベースに可変抵抗をそれぞれ接続してもよい。In FIG. 1, the variable resistors R E and R E are connected to the emitters of the transistors Q 1 and Q 2 , but the present invention is not limited to this, and the transistors Q 1 and Q 2
A variable resistor may be connected to each of the two bases.
【0047】動径基底関数としてガウス関数を用いたニ
ューロ素子では、前述の文献“A Gaussian Synapse Cir
cuit For Analog VLSI Neural Networks”に示されてい
るように、そのガウス関数の半値幅を変化させるために
は、トランジスタのゲート幅とゲート長とを変化させな
ければならないので、ニューロ素子の作製時にその半値
幅は固定されてしまって、後で変更することができな
い。これに対して、本発明のニューロ素子では、可変抵
抗(トランジスタのエミッタ抵抗又はベース抵抗)に外
部から印加する制御電圧を変化させてその抵抗値の大き
さを調整することにより、(5)式に示す動径基底関数
について任意の半値幅を得ることができる。In a neuro element using a Gaussian function as a radial basis function, the above-mentioned document “A Gaussian Synapse Cir.
As shown in “Cuit For Analog VLSI Neural Networks”, the gate width and gate length of a transistor must be changed in order to change the half-width of the Gaussian function. On the other hand, the half-value width is fixed and cannot be changed later, whereas in the neuro element of the present invention, the control voltage applied from the outside to the variable resistor (the emitter resistor or the base resistor of the transistor) is changed. By adjusting the magnitude of the resistance value, an arbitrary half-value width can be obtained for the radial basis function shown in the equation (5).
【0048】[0048]
【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るニュー
ロ素子にあっては、動径基底関数を用いたニューラルネ
ットワークを簡易な構成のハードウェアにて実現できる
ため、動径基底関数のニューロ素子を、例えば半導体集
積回路にて容易に製造することが可能となると共に、差
動増幅器と乗算器との間の配線を可及的に少なくするこ
とができ、高集積化が図れる等、本発明は優れた効果を
奏する。As described above in detail, in the neural element according to the present invention, a neural network using a radial basis function can be realized by hardware having a simple configuration. The device can be easily manufactured with, for example, a semiconductor integrated circuit, and the wiring between the differential amplifier and the multiplier can be reduced as much as possible. The invention has excellent effects.
【図1】本発明のニューロ素子のハードウェアによる構
成を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a hardware configuration of a neuro element of the present invention.
【図2】動径基底関数を用いたニューラルネットワーク
の構成の一例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of a neural network using a radial basis function.
【図3】入力電圧Vinを生成する回路の構成を示すブロ
ック図である。3 is a block diagram showing the configuration of a circuit for generating the input voltage V in.
【図4】本発明に係るニューロ素子に備えられた差動増
幅器の構成を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a differential amplifier provided in a neuro element according to the present invention.
【図5】I1 ・I2 とVinとの関係を示すグラフであ
る。5 is a graph showing the relationship between I 1 · I 2 and V in.
【図6】コレクタ電圧V1 ,V2 と入力電圧Vinとの関
係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the collector voltage V 1, V 2 and the input voltage V in.
1a 第1入力ノード 1b 第2入力ノード 2a 第1中間ノード 2b 第2中間ノード 3 出力ノード 11 差動増幅回路部 12 バイアス部 15 演算部 16 乗算器 Q1 ,Q2 トランジスタ RE ,RB 可変抵抗1a first input node 1b first intermediate node 2b second input node 2a the second intermediate node 3 output node 11 the differential amplifier circuit 12 bias unit 15 computation unit 16 the multiplier Q 1, Q 2 transistor R E, R B variable resistance
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06G 7/26,7/60 G06F 7/544 Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G06G 7 / 26,7 / 60 G06F 7/544
Claims (3)
ワークを構成するためのニューロ素子において、 2個のトランジスタを有し、前記ニューラルネットワー
クの仮想するノードへの入力を、前記両トランジスタの
少なくとも一方のトランジスタへの入力とする差動増幅
器と、該差動増幅器から得られる一方のみのトランジス
タの出力を用いて、前記両トランジスタの出力の積を演
算する演算部とを備えることを特徴とするニューロ素
子。1. A neural element for constructing a neural network using a radial basis function, comprising: two transistors, wherein an input to a virtual node of the neural network is connected to at least one of the two transistors. A neuro element, comprising: a differential amplifier as an input to a transistor; and a calculation unit that calculates a product of outputs of the two transistors using an output of only one transistor obtained from the differential amplifier. .
準入力端子が設けてある乗算器を備えており、一対に
は、信号入力端子に一方のトランジスタの出力電圧を、
基準入力端子に前記差動増幅器に印加する電源電圧の1
/2の電圧を与え、他対には、信号入力端子に前記電源
電圧の1/2の電圧を、基準入力端子に一方のトランジ
スタの出力電圧を与えるようになしてある請求項1記載
のニューロ素子。2. The arithmetic unit includes a multiplier provided with two pairs of signal input terminals and a reference input terminal, and the pair includes a signal input terminal and an output voltage of one transistor.
1 of the power supply voltage applied to the differential amplifier to the reference input terminal
2. A neuron according to claim 1, wherein a voltage of 1/2 of the power supply voltage is applied to the other pair, and a voltage of 1/2 of the power supply voltage is applied to the signal input terminal and an output voltage of one transistor is applied to the reference input terminal. element.
/{1+cosh(bx)}(但し、A:定数,b:学
習則によって決定されるパラメータ)であることを特徴
とする請求項1又は2記載のニューロ素子。3. The radial basis function is f (b, x) = A
3. The neuro element according to claim 1, wherein / {1 + cosh (bx)} (where A is a constant, and b is a parameter determined by a learning rule).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13904296A JP3191678B2 (en) | 1996-05-31 | 1996-05-31 | Neuro element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13904296A JP3191678B2 (en) | 1996-05-31 | 1996-05-31 | Neuro element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09319814A JPH09319814A (en) | 1997-12-12 |
| JP3191678B2 true JP3191678B2 (en) | 2001-07-23 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3191678B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6542304B2 (en) | 1999-05-17 | 2003-04-01 | Toolz, Ltd. | Laser beam device with apertured reflective element |
| JP2016150774A (en) * | 2015-02-18 | 2016-08-22 | シャープ株式会社 | Food container and heating cooker |
-
1996
- 1996-05-31 JP JP13904296A patent/JP3191678B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6542304B2 (en) | 1999-05-17 | 2003-04-01 | Toolz, Ltd. | Laser beam device with apertured reflective element |
| JP2016150774A (en) * | 2015-02-18 | 2016-08-22 | シャープ株式会社 | Food container and heating cooker |
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|---|---|
| JPH09319814A (en) | 1997-12-12 |
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