Low Power And Compact Vlsi Neurons With Network Dynamics

(Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013(PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013Bu tez çalşmasında, üç adet düşük güçlü ve kompakt, biyolojik zaman ölçeğinde çalışabilen VLSI nöron ve iki adet sinaps tasarlanmıştır. Her bir nöron bir matematiksel modele dayanmaktadır. Bunlar, Izhikevich (Izh), Uyarlamalı Üstel Tut ve Ateşle (AdEx) and Hodgkin-Huxley (HH) nöron modelleridir. Düşük güç ve kompaktlık için, tüm nöron ve sinaplar logaritmik tanım bölgesinde eşikaltı bölgede çalışan akım modlu devreler kullanılarak gerçeklenmiştir. Değeri fA ve pA olan akım kaynaklarını gerçeklemek için, salt transistörlü, geniş sıcaklık aralığına sahip, düşük sıcaklık katsayılı, pA mertebeli bir akım referans devresi tasarlanmıştır. Değeri fA olan akım kaynakları basitleştirlmiş bir akım dağıtıcısı kullanılarak elde edilmiştir. Böylece, 50fA değerinde bir akım kaynağının makul bir sıcaklık aralığında üretilebileceği gösterilmiştir. AdEx modelindeki üstel terimi gerçekleebilmek için, akım modlu ve geniş aralıklı bir üst alma devresi tasarlanmıştır. Bu amaçl geleneksel Taylor yaklaşımı yerine Pade yaklaşıklığı kullanılmıştır. Sonuç olarak, hatası tipik durumda 0.2 dB ve en kötü durumda 0.5 dB olan, 43.4 dB değerinde çıkış aralığına sahip bir üst alma devresi tasarlanmıştır. Doğrusal ve zamana bağlı dinamiklere sahip iki benzer sinapsdevresi tasarlanmıştır. İki AdEx ve üç Izh nöronu kendi aralarında birbirine bağlanarak senkronizasyon davranışlarını incelemek üzere bir ağ oluşturulmuştur. Nöronlar beklenen ağ dinamiklerini başarılya sergilemişlerdir.In this thesis, three low power and compact VLSI neurons operating at biological timescale and two synaptic circuits are designed. Each neuron circuit realizes a mathematical neuron model. The models utilized are namely Izhikevich (Izh), Adaptive Exponential Integrate and Fire (AdEx) and Hodgkin-Huxley (HH) neuron model. Due to low power and compactness strategy, all the neurons and synapses are designed with log domain circuits operating in subthreshold region with a current mode approach. To implement pA and fA current sources, a CMOS only, wide temperature range, low temperature coefficient, pA level current reference circuit is designed. The fA level current sources are obtained using a simplified current splitter circuit. It is shown that a 50fA DC current source within a reasonable temperature range can be generated. In order to realize the exponential term in AdEx model, a wide range current mode exponential circuit is designed. For this purpose, Pade approximation method is exploited rather than the traditional Taylor approximation. As a result, an output range of 43.4 dB is obtained with 0.2 dB error for nominal case and0.5dB error for the worst case. Two similar synaptic circuits, both of which operate linearly with temporal dynamics, are designed. Two AdEx and three Izh neurons are coupled among each other to investigate the synchronization activity of the network. The neurons exhibit the expected network dynamics successfully.DoktoraPh