78、神经网络硬件实现：模拟VLSI技术全解析

神经网络硬件实现：模拟VLSI技术全解析

1. 神经网络硬件基础：MOS晶体管弱反转实现

在神经网络硬件实现中，MOS晶体管在弱反转状态下能以有限精度实现特定功能。由共衬底MOS晶体管构成的跨导环是一个重要的基础结构，如图E1.3.7所示。

1.1 跨导环的结构与特性

• 跨导环由偶数个晶体管通过栅极和源极连接而成，其中一半按顺时针方向连接，另一半按逆时针方向连接。
• 每个晶体管的饱和电流Zi由特定公式（E1.3.9）给出。当顺时针和逆时针晶体管交替排列时，每个栅极电压VG~由一对顺时针 - 逆时针晶体管共享，在相关方程（E1.3.26）中可进行补偿，进而可用VGiln替代。根据（E1.3.25）将VGiln - Vsi表示为饱和电流Zi的函数，得到（E1.3.27），对于完全匹配的相同晶体管，环因子A = 1。

1.2 跨导环的扩展与精度问题

• 跨导环原理可扩展，在环中包含任意数量源极到漏极连接的晶体管（Andreou和Boahen 1994）。这些非饱和晶体管相当于两个并联的饱和晶体管Ti和q - 1，通过它们的电流为Zi - Zi - 1。
• 若同一衬底中的晶体管未按顺时针 - 逆时针交替排列，方程（E1.3.26）仅近似成立。可将每个晶体管置于与源极相连的单独阱中（所有Vsi = 0），使所有晶体管饱和，以恢复正确的跨导操作。
• 如图E1.3.6所示，弱反转状态下MOS晶体管的电流精度不高，且斜率因子n会随栅极电压略有变化。相比之下，使用双极型器件或真正的双极晶体管可获得更精确的跨导环。