Projeto de modelos neurais pulsados em CMOS.

• Main Author: Julio César Saldaña Pumarica
• Other Authors: Emilio Del Moral Hernandez
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2010
• Subjects: Modelo compacto do transistor MOS; Modelos neurais pulsados; Projeto em CMOS para baixa frequência; Design in CMOS for low-frequency; MOSFET compact model; Pulsed neural models
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3142/tde-01032011-115940/

O presente trabalho descreve o projeto de modelos neurais pulsados em tecnologia CMOS. Foram projetados dois modelos: um neurônio baseado em condutâncias e um neurônio do tipo integra e dispara. O primeiro gera impulsos elétricos similares aos potenciais de ação gerados pelo neurônio biológico. Mediante simulação, foram observadas as seguintes características: disparo do impulso quando se atinge a tensão de limiar, hiperpolarização após o potencial de ação, retorno passivo à tensão de repouso, presença de período refratário e relação sigmoide entre a frequência de disparo e a intensidade do estímulo. Da mesma maneira, foi reproduzida a curva mínima duração x amplitude de estímulo típico dos neurônios biológicos. O segundo realiza a codificação de uma grandeza analógica na fase relativa dos impulsos elétricos gerados. Os impulsos gerados pelo circuito estão afastados em relação a um sinal periódico, em um intervalo que apresenta uma dependência logarítmica de uma corrente de entrada. John Hopfield propus esse tipo de codificação para explicar o reconhecimento de padrões com independência de escala, realizado pelo cérebro humano. No decorrer da pesquisa, foi necessário desenvolver algumas expressões analíticas para o projeto de circuitos de baixa frequência em CMOS, não encontradas na literatura estudada. As expressões estão baseadas na equação da corrente do transistor MOS proposta no modelo conhecido como Advanced Compact Mosfet (ACM). O projeto, implementação e testes de um transcondutor linearizado, e os resultados das simulações dos modelos neurais projetados, demonstram a validade das expressões desenvolvidas. === This work describes the design of pulsed neural models in CMOS technology. Two models were designed: a conductance based neuron and an integrate and fire neuron. The first generates electrical impulses similar to action potentials generated by the biological neuron. Through simulation, the following characteristics were observed: pulse trigger after reaching threshold voltage, hyperpolarization after the action potential, passive return to resting potential, presence of refractory period and sigmoid relationship between the firing rate and the stimulus intensity. Likewise, the curve minimal duration vs stimulus amplitude typical of biological neurons was reproduced. The second one performs the encoding of an analog input in the relative phase of electrical impulses. The impulses generated by the circuit are delayed with respect to a reference periodic signal, in a range that has a logarithmic dependence on an input current. John Hopfield proposed this type of encoding to explain the scale independent pattern recognition performed by the human brain. During the research, it was necessary to develop some analytical expressions for the design of low-frequency circuits in CMOS, not found in the literature studied. The expressions are based on the Advanced Compact MOSFET (ACM) model. The design, implementations and testing of a linearized transconductor, and the simulations results of the neural models designed, demonstrate the validity of the expressions developed.