一种模拟实现Morris‑Lecar神经元模型的电路制造技术

本发明专利技术公开了一种模拟实现Morris‑Lecar神经元模型的电路，所述电路包括：第一双曲正切函数电路单元、第二双曲正切函数电路单元、双曲余弦函数电路单元、第一比例积分电路单元和第二比例积分电路单元。所述电路由运算放大器、晶体管、加法器、乘法器、电阻等基本的模拟电子器件组成。本发明专利技术所实现电路结构简单，电路参数调节灵活方便，电路输出精度高，随着电路参数的变化，本发明专利技术所实现的电路可以模拟Morris‑Lecar神经元模型静息态、峰放电(spiking)、簇放电(bursting)等多种放电形式。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟实现Morris-Lecar神经元模型的电路
：本专利技术属于神经元电路模拟
，特别涉及一种模拟实现Morris-Lecar神经元模型的电路。
技术介绍
：神经元是神经系统的基本单位，人类神经系统的神经元数量数以亿计。神经元在不同的外界环境下或受到外界刺激时，能够产生电信号，这些电信号可以在不同的神经元之间传递，神经系统通过神经元的这种电信号接受或者发送功能感受外界环境变化，或者传递大脑发送的信号指令，以实现与外界环境的交互。截止目前，相关学者建立了多种数学模型来描述神经元的动力学行为，如Hodgkin-Huxley模型、FitzHugh-Naguma模型、Hindmarsh-Rose模型、Morris-Lecar模型等。通过分析不同条件下神经元模型的动力学行为变化，可以预测神经元不同环境下的放电行为，已有的研究表明，人类所患帕金森症、癫痫等疾病与神经系统的异常放电有直接关系，因此，对单个神经元、耦合神经元以及神经元网络动力学行为的研究能够为这些疾病的治疗提供潜在的理论支持。神经元模型一般由多个微分方程组成，随着神经元数量的增加，对神经元系统动力学行为分析的计算负担将大大增加，计算的实时性将不能得到保障，因此，通过电路来模拟神经元的放电行为，成为解决实时性问题的重要途径。由于神经元模型中多包含指数函数、双曲函数等非线性函数，这些函数很难用现有的模拟器件来直接实现，现有的神经元电路模拟通常采用将这些非线性函数线性化，或者采用动力学行为相似的函数来代替这些非线性函数的方法来实现，这也造成了误差较大、精度不高等问题，因此，设计新颖的模拟电路，来精确实现这些非线性函数，进一步实现神经元模型的模拟意义重大。
技术实现思路
：本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种模拟实现Morris-Lecar神经元模型的电路。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种模拟实现Morris-Lecar神经元模型的电路，包括第一双曲正切函数电路单元、第二双曲正切函数电路单元、双曲余弦函数电路单元、第一比例积分电路单元和第二比例积分电路单元；其中，所述的第一双曲正切函数电路单元和第二双曲正切函数电路单元均由输入函数运算模块、双曲正切函数运算模块、双端输入转单端输出模块和加法运算模块组成；所述双曲余弦函数电路单元由输入函数运算模块、第一指数函数电路单元、第二指数电路单元和加法运算模块组成；所述第一比例积分电路单元由乘法运算模块、电流源、电压源和比例积分模块组成，其包含六个输入端，输入端D1A、输入端D1B、输入端D2A、输入端D2B、输入端D3、输入端D4和一个输出端，输出端电压即为神经元模型的膜电位；所述第二比例积分电路单元由减法运算模块、乘法运算模块、积分运算模块和比例运算模块组成，其包含两个输入端，输入端B21，输入端B22和一个输出端；第一双曲正切函数电路单元的输入端连接第一比例积分电路单元的输出端，第一双曲正切函数电路单元的输出端连接第一比例积分电路单元的输入端D1A；第二双曲正切函数电路单元的输入端连接第一比例积分电路单元的输出端，第二双曲正切函数电路单元的输出端连接第二比例积分电路单元的输入端B21；第二比例积分电路单元的输出端连接第一比例积分电路单元的输入端D2A；双曲余弦函数电路单元的输入端连接第一比例积分电路单元的输出端，双曲余弦函数电路单元的输出端连接第二比例积分电路单元的输入端B22；第一比例积分电路单元的输入端D1B连接第一比例积分电路单元的输出端；第一比例积分电路单元的输入端D2B连接第一比例积分电路单元的输出端；第一比例积分电路单元的输入端D3连接第一比例积分电路单元的输出端；第一比例积分电路单元的输入端D4连接电流源。本专利技术进一步的改进在于，第一双曲正切函数电路单元中，输入函数运算模块由运算放大器、电压源及电阻组成；双曲正切函数运算模块由双极性晶体管对、电压源、电流源及电阻组成；双端输入转单端输出模块由运算放大器及电阻组成；加法运算模块由加法器、电压源及电阻组成；第一双曲正切函数电路单元的输入端即其输入函数运算模块输入端，其输入经电阻R1连接到运算放大器U1的反相输入端，运算放大器U1的输出经电阻R2反馈连接到运算放大器U1的反相输入端，同时，运算放大器U1的输出端连接到双曲正切函数运算模块的输入端，运算放大器U1的同相输入端连接电压源Vth1的负极，电压源Vth1的正极接地；双曲正切函数运算模块由一个输入端和两个输出端，其输入端即是双极性晶体管Q1的基极，双极型晶体管Q1和Q2的集电极分别经电阻R3和R4连接至电压源V1的正极，电压源V1的负极接地，双极型晶体管Q1和Q2的发射极连接在一起并经电流源I1接地，双极性晶体管Q2的基极接地，双曲正切函数运算模块的两个输出端分别经Q1和Q2的集电极引出；双端输入转单端输出模块的输入端分别连接双曲正切函数运算模块的两个输出端，两个输入信号分别经电阻R7和R5连接到运算放大器U2同相输入端和反相输入端，运算放大器U2的同相输入端同时经电阻R8接地，运算放大器U2的输出端经电阻R6反馈连接至运算放大器U2的反相输入端，双端输入转单端输出模块的输出端连接至加法运算模块的输入端；加法运算模块输入端即为加法器的输入端，加法器的另一输入端连接至电压源V2的正极，电压源V2的负极接地，加法器的输出端即为第一双曲正切函数电路单元的输出端。本专利技术进一步的改进在于，第二双曲正切函数电路单元中，输入函数运算模块由运算放大器、电压源及电阻组成；双曲正切函数运算模块由双极性晶体管对、电压源、电流源及电阻组成；双端输入转单端输出模块由运算放大器及电阻组成加法运算模块由加法器、电压源及电阻组成；第二双曲正切函数电路单元的输入端即其输入函数运算模块输入端，其输入经电阻R9连接到运算放大器U3的反相输入端，运算放大器U3的输出经电阻R10反馈连接到运算放大器U3的反相输入端，同时，运算放大器U3的输出端连接到双曲正切函数运算模块的输入端，运算放大器U3的同相输入端连接电压源Vth2的正极，电压源Vth2的负极接地；双曲正切函数运算模块由一个输入端和两个输出端，其输入端即是双极性晶体管Q3的基极，双极型晶体管Q3和Q4的集电极分别经电阻R3和R4连接至电压源V3的正极，电压源V3的负极接地，双极型晶体管Q3和Q4的发射极连接在一起并经电流源I2接地，双极性晶体管Q4的基极接地，双曲正切函数运算模块的两个输出端分别经Q3和Q4的集电极引出；双端输入转单端输出模块的输入端分别连接双曲正切函数运算模块的两个输出端，两个输入信号分别经电阻R15和R13连接到运算放大器U4同相输入端和反相输入端，运算放大器U4的同相输入端同时经电阻R16接地，运算放大器U4的输出端经电阻R14反馈连接至运算放大器U4的反相输入端，双端输入转单端输出模块的输出端连接至加法运算模块的输入端；加法运算模块输入端即为加法器的输入端，加法器的另一输入端连接至电压源V4的正极，电压源V4的负极接地，加法器的输出端即为第二双曲正切函数电路单元的输出端。本专利技术进一步的改进在于，双曲余弦函数电路单元中，输入函数运算模块由运算放大器、电压源及电阻组成；第一指数函数电路单元由运算放大器、电压源、双极性晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟实现Morris‑Lecar神经元模型的电路，其特征在于，包括第一双曲正切函数电路单元、第二双曲正切函数电路单元、双曲余弦函数电路单元、第一比例积分电路单元和第二比例积分电路单元；其中，所述的第一双曲正切函数电路单元和第二双曲正切函数电路单元均由输入函数运算模块、双曲正切函数运算模块、双端输入转单端输出模块和加法运算模块组成；所述双曲余弦函数电路单元由输入函数运算模块、第一指数函数电路单元、第二指数电路单元和加法运算模块组成；所述第一比例积分电路单元由乘法运算模块、电流源、电压源和比例积分模块组成，其包含六个输入端，输入端D1A、输入端D1B、输入端D2A、输入端D2B、输入端D3、输入端D4和一个输出端，输出端电压即为神经元模型的膜电位；所述第二比例积分电路单元由减法运算模块、乘法运算模块、积分运算模块和比例运算模块组成，其包含两个输入端，输入端B21，输入端B22和一个输出端；第一双曲正切函数电路单元的输入端连接第一比例积分电路单元的输出端，第一双曲正切函数电路单元的输出端连接第一比例积分电路单元的输入端D1A；第二双曲正切函数电路单元的输入端连接第一比例积分电路单元的输出端，第二双曲正切函数电路单元的输出端连接第二比例积分电路单元的输入端B21；第二比例积分电路单元的输出端连接第一比例积分电路单元的输入端D2A；双曲余弦函数电路单元的输入端连接第一比例积分电路单元的输出端，双曲余弦函数电路单元的输出端连接第二比例积分电路单元的输入端B22；第一比例积分电路单元的输入端D1B连接第一比例积分电路单元的输出端；第一比例积分电路单元的输入端D2B连接第一比例积分电路单元的输出端；第一比例积分电路单元的输入端D3连接第一比例积分电路单元的输出端；第一比例积分电路单元的输入端D4连接电流源。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟实现Morris-Lecar神经元模型的电路，其特征在于，包括第一双曲正切函数电路单元、第二双曲正切函数电路单元、双曲余弦函数电路单元、第一比例积分电路单元和第二比例积分电路单元；其中，所述的第一双曲正切函数电路单元和第二双曲正切函数电路单元均由输入函数运算模块、双曲正切函数运算模块、双端输入转单端输出模块和加法运算模块组成；所述双曲余弦函数电路单元由输入函数运算模块、第一指数函数电路单元、第二指数电路单元和加法运算模块组成；所述第一比例积分电路单元由乘法运算模块、电流源、电压源和比例积分模块组成，其包含六个输入端，输入端D1A、输入端D1B、输入端D2A、输入端D2B、输入端D3、输入端D4和一个输出端，输出端电压即为神经元模型的膜电位；所述第二比例积分电路单元由减法运算模块、乘法运算模块、积分运算模块和比例运算模块组成，其包含两个输入端，输入端B21，输入端B22和一个输出端；第一双曲正切函数电路单元的输入端连接第一比例积分电路单元的输出端，第一双曲正切函数电路单元的输出端连接第一比例积分电路单元的输入端D1A；第二双曲正切函数电路单元的输入端连接第一比例积分电路单元的输出端，第二双曲正切函数电路单元的输出端连接第二比例积分电路单元的输入端B21；第二比例积分电路单元的输出端连接第一比例积分电路单元的输入端D2A；双曲余弦函数电路单元的输入端连接第一比例积分电路单元的输出端，双曲余弦函数电路单元的输出端连接第二比例积分电路单元的输入端B22；第一比例积分电路单元的输入端D1B连接第一比例积分电路单元的输出端；第一比例积分电路单元的输入端D2B连接第一比例积分电路单元的输出端；第一比例积分电路单元的输入端D3连接第一比例积分电路单元的输出端；第一比例积分电路单元的输入端D4连接电流源。2.根据权利要求1所述的一种模拟实现Morris-Lecar神经元模型的电路，其特征在于，第一双曲正切函数电路单元中，输入函数运算模块由运算放大器、电压源及电阻组成；双曲正切函数运算模块由双极性晶体管对、电压源、电流源及电阻组成；双端输入转单端输出模块由运算放大器及电阻组成；加法运算模块由加法器、电压源及电阻组成；第一双曲正切函数电路单元的输入端即其输入函数运算模块输入端，其输入经电阻R1连接到运算放大器U1的反相输入端，运算放大器U1的输出经电阻R2反馈连接到运算放大器U1的反相输入端，同时，运算放大器U1的输出端连接到双曲正切函数运算模块的输入端，运算放大器U1的同相输入端连接电压源Vth1的负极，电压源Vth1的正极接地；双曲正切函数运算模块由一个输入端和两个输出端，其输入端即是双极性晶体管Q1的基极，双极型晶体管Q1和Q2的集电极分别经电阻R3和R4连接至电压源V1的正极，电压源V1的负极接地，双极型晶体管Q1和Q2的发射极连接在一起并经电流源I1接地，双极性晶体管Q2的基极接地，双曲正切函数运算模块的两个输出端分别经Q1和Q2的集电极引出；双端输入转单端输出模块的输入端分别连接双曲正切函数运算模块的两个输出端，两个输入信号分别经电阻R7和R5连接到运算放大器U2同相输入端和反相输入端，运算放大器U2的同相输入端同时经电阻R8接地，运算放大器U2的输出端经电阻R6反馈连接至运算放大器U2的反相输入端，双端输入转单端输出模块的输出端连接至加法运算模块的输入端；加法运算模块输入端即为加法器的输入端，加法器的另一输入端连接至电压源V2的正极，电压源V2的负极接地，加法器的输出端即为第一双曲正切函数电路单元的输出端。3.根据权利要求1所述的一种模拟实现Morris-Lecar神经元模型的电路，其特征在于，第二双曲正切函数电路单元中，输入函数运算模块由运算放大器、电压源及电阻组成；双曲正切函数运算模块由双极性晶体管对、电压源、电流源及电阻组成；双端输入转单端输出模块由运算放大器及电阻组成加法运算模块由加法器、电压源及电阻组成；第二双曲正切函数电路单元的输入端即其输入函数运算模块输入端，其输入经电阻R9连接到运算放大器U3的反相输入端，运算放大器U3的输出经电阻R10反馈连接到运算放大器U3的反相输入端，同时，运算放大器U3的输出端连接到双曲正切函数运算模块的输入端，运算放大器U3的同相输入端连接电压源Vth2的正极，电压源Vth2的负极接地；双曲正切函数运算模块由一个输入端和两个输出端，其输入端即是双极性晶体管Q3的基极，双极型晶体管Q3和Q4的集电极分别经电阻R3和R4连接至电压源V3的正极，电压源V3的负极接地，双极型晶体管Q3和Q4的发射极连接在一起并经电流源I2接地，双极性晶体管Q4的基极接地，双曲正切函数运算模块的两个输出端分别经Q3和Q4的集电极引出；双端输入转单端输出模块的输入端分别连接双曲正切函数运算模块的两个输出端，两个输入信号分别经电阻R15和R13连接到运算放大器U4同相输入端和反相输入端，运算放大器U4的同相输入端同时经电阻R16接地，运算放大器U4的输出端经电阻R14反馈连接至运算放大器U4的反相输入端，双端输入转单端输出模块的输出端连接至加法运算模块的输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓宇，刘崇新，倪骏康，沈天时，李傲岸，刘航，李石磊，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61