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專利名稱：一種利用cmos晶體管設(shè)計的模擬概率同或門電路的制作方法一種利用CMOS晶體管設(shè)計的模擬概率同或門電路本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于集成電路設(shè)計中的概率計算電路，特別是一種利用CMOS晶體管設(shè)計的模擬概率同或門電路。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及信號與信息處理及集成電路設(shè)計領(lǐng)域。[背景4支術(shù)]在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了克服信道千擾，一般都采用糾錯碼編解碼器。糾錯碼的解碼從數(shù)學(xué)角度看有代數(shù)解碼和概率解碼兩種方式。從電路實(shí)現(xiàn)形式上看一般都采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)糾錯碼解碼器。數(shù)字電路與代數(shù)解碼配合得很好，但對于概率解碼用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。用模擬電路實(shí)現(xiàn)糾錯碼的解碼，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是概率解碼算法，動機(jī)主要有以下幾方面一是隨著通信速率的提高，用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的糾錯碼解碼器越來越不能滿足速度的要求，需要充分利用模擬電路高速的優(yōu)勢；二是由于通信中特別是移動通信中要求低功耗，需要通過新型的電路設(shè)計減少電路功耗。三是一直以來，我們都知道代數(shù)編解碼理論與數(shù)字VLSI之間配合得很好。通用的數(shù)字電路(二進(jìn)制存儲單元和邏輯門)適于有限域的代數(shù)運(yùn)算。然而，這種配合在類似于維特比解碼中所用的概率解碼技術(shù)中卻不合適。事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)高速的維特比解碼器要比相同比特率的BCH解碼器大相當(dāng)多的芯片面積。這種情況在Turbo碼和低密度校驗(yàn)碼中更加突出。首先，維特比解碼中的最小和算法被和積算法取代，特別是等同于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的概率傳播，更加不適合于數(shù)字電路的實(shí)現(xiàn)。其次，解碼有迭代過程(相同的計算重復(fù)多次)，使得要進(jìn)行很多的操作，用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)很繁瑣。因此需要考慮用模擬電路實(shí)現(xiàn)概率解碼，關(guān)鍵是基于合適的算法和設(shè)計相應(yīng)的單元模擬電路。和積算法適于用模擬VLSI實(shí)現(xiàn)，這種模擬解碼器的主要優(yōu)點(diǎn)是迭代沒有了，解碼器是一個異步的電子網(wǎng)絡(luò)，速度快，功耗低。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，基于和積算法設(shè)計了一種采用M0S管的模擬概率同或門單元電路，利用這個單元電路以及其它種類的概率門電路可以構(gòu)造Turbo碼，巻積格碼，低密度校驗(yàn)碼等類似碼的模擬解碼器。一般而言，模擬電路對晶體管的偏差敏感，易受噪聲的干擾，受溫度的影響，電路設(shè)計復(fù)雜。但如果充分利用晶體管的非線性，通過系統(tǒng)設(shè)計，達(dá)到整體的精確，而局部或單個晶體管的不精確，并不影響整個電路工作的精確性。同時由于是直接把和積算法映射到晶體管電路，電路本身具有相應(yīng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，便于模塊化設(shè)計，減少了模擬概率解碼器的LSI實(shí)現(xiàn)的設(shè)計復(fù)雜程度，為解碼器的實(shí)用化創(chuàng)造了條件。

[發(fā)明內(nèi)容]本發(fā)明的內(nèi)容是利用M0S晶體管處于亞閾值模式時的特性，設(shè)計出用于概率傳播計算的各種概率門電路。概率同或門與數(shù)字電路中的邏輯同或門相對應(yīng)，邏輯同或門的輸入輸出是代表邏輯值0或1的電壓信號，概率同或門的是輸入輸出是代表概率值的電流信號。代數(shù)解碼器首先要把接收的解調(diào)信號(代表0,1值的實(shí)際波形信號，也稱為軟比特信號)，通過判決電路，判決出是O或l,以電壓形式輸出，稱為硬比特信號，再通過各種數(shù)字邏輯電路，進(jìn)行解碼。缺點(diǎn)是判決時僅利用采樣點(diǎn)進(jìn)行判決，存在誤差，解(譯)碼速度慢，功耗大，且對于需要迭代譯碼時，用數(shù)字電路不易實(shí)現(xiàn)。概率譯碼是直接利用接收到的軟比特信號進(jìn)行通過概率門進(jìn)行概率計算實(shí)現(xiàn)譯碼，譯碼完成后，再利用判決電路，判決出硬比特信號，提供給后級的數(shù)字電路。概率譯碼采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，計算時類似于濾波電路，速度快，功耗低，對于迭代計算容易實(shí)現(xiàn)，且抗干擾能力不比相應(yīng)的數(shù)字電路差。概率同或門可形成固定的模塊，在設(shè)計譯碼電路時可像利用邏輯同或門設(shè)計數(shù)字電路一樣方便，克服了模擬電路設(shè)計煩瑣的弊端。[具體實(shí)施方式]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的主要由電流輸入、輸出電路和模擬乘法器電路等組成。利用輸入、輸出的電流值大小代表輸入、輸出的概率值，通過電路的不同結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)概率的同或計算。利用MOS晶體管晶體管，設(shè)計了代表A路、B路的電流輸入電路，代表F路的電流輸出電路，以及利用電流值進(jìn)行概率同或計算的模擬電路。在功能上實(shí)現(xiàn)輸出的概率值是兩路輸入概率值的同或結(jié)果。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.模擬乘法器單元的M0S管工作于亞閱值狀態(tài)，電壓和電流之間具有類似于雙極性三極管的指數(shù)特性。實(shí)現(xiàn)乘法的電路結(jié)構(gòu)簡單，利用一個M0S管就可實(shí)現(xiàn)兩路電流的乘法關(guān)系。2.由于是利用單管實(shí)現(xiàn)乘法計算，在芯片設(shè)計時，占用的芯片面積小，設(shè)計相對簡單，便于大規(guī)模集成電路的實(shí)現(xiàn)。3.當(dāng)M0S管工作于亞閾值狀態(tài)時，工作電流極小，電路的功耗極低，在通信電路的芯片設(shè)計，特別是移動通信電路芯片設(shè)計時，功耗低具有特別重要的意義，在某些場合，低功耗是必須的要求，減少整機(jī)的耗電，具有很大的實(shí)用價值。4.本發(fā)明設(shè)計的模擬概率同或門電路的輸入、輸出接口采用的是威爾遜電流源電路，與普通的電流源電路相比，具有更高的電流復(fù)制精度，同時采用電流源電路設(shè)計便于各種概率門電路之間的互聯(lián)，便于設(shè)計大規(guī)模的模擬解碼器芯片電路。5.本發(fā)明設(shè)計的模擬概率同或門電路是通用的模擬概率計算電路，可廣泛應(yīng)用于Turbo碼，巻積格碼，低密度校驗(yàn)碼等類似碼的模擬解碼器設(shè)計中。6.利用本發(fā)明設(shè)計的模擬概率同或門電路實(shí)現(xiàn)的模擬解碼器屬于軟判決譯碼器，與傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的硬判決譯碼器相比，在相同信噪比的條件下，具有2_3dB的軟判決譯碼增益。或者在相同的譯碼增益條件下，具有更低的誤碼率。7.目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計大多采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明設(shè)計的模擬概率門電路也可應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片設(shè)計中。附圖i兌明I下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明圖1為本發(fā)明框圖。本發(fā)明模擬概率同或門電路的工作過程是兩路輸入分別為A路和B路，每路輸入有兩個端口，以電流的形式分別代表了該路信號為邏輯0或1的概率值，輸出電路為F路，也有兩個端口，以電流的形式代表了輸出為邏輯0或1的概率值，輸入四路電流信號，利用M0S管指數(shù)特性實(shí)現(xiàn)乘加關(guān)系，使輸出的兩路電流分別等于輸入電流的計算結(jié)果，在功能上實(shí)現(xiàn)概率值的同或運(yùn)算，同時在輸入、輸出采用威爾遜電流源電路，便于與其它模擬概率門電路的級聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的模擬解碼芯片設(shè)計以及其它神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的設(shè)計。圖2為本發(fā)明電路原理圖。圖中符號說明如下Ml-M6—六個NMOS管，六個乘法計算單元。M7-M9—三個NMOS管，構(gòu)成威爾遜電流鏡電路。M10-M12—三個NMOS管，構(gòu)成威爾遜電流鏡電路。M13-M15—三個PMOS管，構(gòu)成威爾遜電流鏡電路。M16-M18—三個PMOS管，構(gòu)成威爾遜電流鏡電路。VCC—正電源V1-V4—四個點(diǎn)的工作電壓A-/4—四條線上的工作電流/。0—A路輸入信息為0的概率電流值/。,一A路輸入信息為1的概率電流值/A。一B路輸入信息為0的概率電流值/A1—B路輸入信息為1的概率電流值F路輸出信息為0的概率電流值'/o-F路輸出信息為1的概率電流值在圖2中，M6六個NMOS管構(gòu)成六個乘法計算單元，都是工作在亞閾值狀態(tài)，因此其電流、電壓具有下列的指數(shù)關(guān)系'DOf『)-&.|(卜《*)-(丄J1—e々,*'6化(1)式中^是閾值電壓，^=/:r，/。。和常數(shù)"是工藝參數(shù)，其典型值分別為/�！�20"，n1.5。在式(l)中，當(dāng)^s〉3J^時，e—^"項(xiàng)可以忽略。分析(19)(20)式與數(shù)字電路里同或門(/=a〇6)的形式相似，因而可稱為概率同或門。但二者有本質(zhì)的區(qū)另iJ,數(shù)字同或門的輸入輸出是O或1的邏輯值，而這里的概率同或門的輸入輸出是以電流形式表現(xiàn)的概率值(是小于1的非負(fù)實(shí)數(shù))。M7-M9三個NMOS管以及M10-M12、M13-M15、M16-M18、M19-M21、M22-M24分別構(gòu)成六組威爾遜電流鏡電路，構(gòu)成模擬概率同或門電路的在輸入輸出部分。采用威爾遜電流鏡電路不僅便于各種概率門電路之間的級聯(lián)，而且與簡單的兩管電流鏡相比，可以提高電流鏡的電流復(fù)制精度，具有更強(qiáng)的電路抗干擾能力。VCC為正電源，電壓可為5V或3V。權(quán)利要求1.一種名為利用CMOS(互補(bǔ)-金屬-氧化物-半導(dǎo)體)晶體管設(shè)計的模擬概率同或門電路。主要由電流輸入、輸出電路和模擬乘法器電路等組成。利用輸入、輸出的電流值大小代表輸入、輸出的概率值，通過電路的不同結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)概率的同或計算。其特征在于利用CMOS晶體管，設(shè)計了代表A路、B路的電流輸入電路，代表F路的電流輸出電路，以及利用電流值進(jìn)行概率同或計算的模擬電路。在功能上實(shí)現(xiàn)輸出的概率值是兩路輸入概率值的同或結(jié)果。形式上類似于數(shù)字電路中的邏輯同或門。但二者有本質(zhì)的不同，概率同或門的輸入輸出信號是代表概率值的電流信號，數(shù)字同或門的輸入輸出是代表邏輯值0或1的電壓信號。概率同或門可廣泛用于電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算和數(shù)字通信領(lǐng)域里的信道解碼計算以及其它需要概率計算的芯片設(shè)計中，是模塊化的電路結(jié)構(gòu)，便于設(shè)計與級聯(lián)。利用模擬電路的特性實(shí)現(xiàn)概率計算，比采用數(shù)字電路，在速度上或功耗上可提高兩個數(shù)量級。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用CMOS晶體管設(shè)計的模擬概率同或門電路，其特征在于輸入輸出電路采用威爾遜電流鏡電路，不僅使電流的復(fù)制精度高，同時提高了電路的抗干擾能力。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用CMOS晶體管設(shè)計的模擬概率同或門電路，其特征在于利用CMOS晶體管工作在亞閾值狀態(tài)的特性，實(shí)現(xiàn)了新型的模擬乘法器電路，采用的CMOS晶體管少，工作電流極小，電路功耗小。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用CMOS晶體管設(shè)計的模擬概率同或門電路，其特征在于概率同或運(yùn)算時所用的加法計算，采用電流線與相加的方式，不僅減少了晶體管，而且電路工作可靠穩(wěn)定。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用CMOS晶體管設(shè)計的模擬概率同或門電路，其特征在于本電路作為模塊化電路，在與其它概率門電路級聯(lián)時，采用電流鏡級聯(lián)方式，簡單方便，便于大規(guī)模集成電路的設(shè)計。全文摘要一種利用CMOS晶體管設(shè)計的模擬概率同或門電路。主要由電流鏡電路和模擬乘法器電路組成。利用輸入、輸出的電流值大小代表輸入、輸出的概率值，通過電路的不同結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)概率的同或計算，本概率同或門電路可應(yīng)用于電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算和數(shù)字通信領(lǐng)域里的信道解碼計算。使得這些計算在速度、功耗兩方面比采用傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯門電路提高兩個數(shù)量級。本電路是模塊化電路，可廣泛應(yīng)用生物、數(shù)字通信以及其它需要概率計算的芯片設(shè)計中。

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