بخشی از مقاله
چکیده -
مدارهای بیشینهیاب یکی از پرکاربردترین مدارهای آنالوگ در پیادهسازی شبکههای عصبی، پردازش تصویر، پردازش صدا و فیلترهای غیرخطی میباشند. مدار پیشنهادی در این مقاله با استفاده از روش مقایسهی دو به دو سیگنالهای ورودی با روشی جدید که به صورت جریان میباشند پیاده شده است.
طراحی و شبیهسازی مدار پیشنهادی در تکنولوژی180nm cmos و به صورت -4ورودی انجام شده است و به ترتیب دارای توان مصرفی 7/9 و 12 میکرووات در ولتاژ 1/3 و 1/8 ولت و دقت 99/6 درصد میباشد. مدار پیشنهادی قابلیت تغییر محدوده دینامیکی با تغییر چرخه وظیفه کلاک ورودی را داراست که می توان محدوده بزرگی از جریانها را پوشش داد. معیار شایستگی مدار پیشنهادی 0/13 مگاهرتز بر میکرووات می باشد که در مقایسه با مدارهای ارائه شده دیگر بهبود قابل توجهی را نشان میدهد.
-1 مقدمه
مدارهای بیشینهیاب و کمینهیاب یکی از مدارهای پرکاربرد در مدارهای مجتمع به خصوص در کاربردهای شبکه عصبی و پردازش تصاویر میباشند. این مدارها در شبکههای عصبی برای پیادهسازی رفتار نرونها و مدلسازی مداری آنها، در پردازشتصویر برای انجام اعمالی مثل تشخیص لبه و.. و در فیلترهای غیرخطی برای پیاده-سازی شبکههای Min-Max به کار میروند. مدارهای بیشینهیاب و کمینهیاب که مقایسهگرهای n-ورودی نیز نامیده میشوند، با پیدا کردن بزرگترین و یا کمترین مقدار سیگنال از بین ورودیهای اعمال شده، آن سیگنال و یا شماره ورودی متناظر آن را به خروجی منتقل مینماید.
این مدارها به دو صورت جریانی و ولتاژی پیاده-سازی میشوند . دو ساختار از مهمترین روشهای پیادهسازی این نوع مدار، روش حامل جریانی - CC - Current Conveyer و درخت باینری - BT - Binary Tree میباشد که در روش اول مقایسه تمام ورودیها همزمان و در یک لحظه انجام میشود که باعث سادگی مدار میشود . در روش دوم پیادهسازی بر مبنای مقایسه دو به دو میباشد که دقت بهتر و پیچیدگی بیشتر میشود. در ادامه این مقاله در بخش2 به بررسی روشهای موجود در پیادهسازی مدارهای بیشینهیاب میپردازیم و در بخش سوم روش پیشنهادی برای کاهش توان مصرفی را ارائه میدهیم. در بخش 4 نیز نتیجهگیری انجام میشود.
-2 بررسی روشهای مختلف پیادهسازی بیشینهیاب
ساختار مدارهای بیشینهیاب و کمینهیاب معمولا به صورتی است که سیگنالهای ورودی میتواند هم به صورت ولتاژ و هم به صورت جریان باشند. در ساختار حامل جریان - CC - مدارهای بیشینهیاب همه سیگنالهای ورودی به طور همزمان وارد مدار میشوند و نتیجه مقایسه به عنوان برنده در خروجی نشان داده خواهد شد. یکی از نمونههای اولیه از این نوع، مدار ارائه شده در[1] میباشد. شکل1 پیادهسازی این مدار را در حالت ورودی جریان نشان می-دهد. از مزایای این مدار سادگی مدار میباشد و اینکه مدارهای واسط نداشته و به طور مستقیم سیگنالهای ورودی با همدیگر مقایسه میشوند. از طرفی در فرکانسهای بالا و تعداد ورودی زیاد کارآیی این ساختار پایین آمده و دقت مناسبی نخواهد داشت. یکی از این مشکلات، خطایگوشه - CORNER EFFECT - میباشد که باعث کاهش دقت مدار میشود.
از جمله مدارهایی که تا کنون با این روش پیادهسازی شده می-توان به مدارهای ارائه شده در [4-2] اشاره نمود که در هر کدام با استفاده از تکنیکهای مداری، بهبودی بر روی ساختار پایه CC ایجاد شده است. در روش دوم که روش درخت باینری نامیده می-شود، سیگنالهای ورودی به صورت جفت، جفت وارد یک بلوک مقایسهگر میشوند و تنها یک سیگنال از هر جفت به عنوان برنده خارج و وارد مرحله بعد برای رقابت میشود تا اینکه در نهایت برنده مشخص گردد. بر خلاف مدارهای CC، در روش BT، مدارها قادر به تعیین ارزش و آدرس سیگنال برنده میباشند و به طور قابل ملاحظهای در برنامههای کاربردی مانند شبکههای خود سازماندهی کوهانن مورد استفاده قرار میگیرند
شکل :1 مدار بیشینهیاب جریان [1] LAZZARO
شکل :2 مداربیشینهیاب درخت باینری با ورودی جریان[6]
یکی از اشکالات این روش در حالت جریانی نیاز به آینه کردن جریانها به صورت چندباره میباشد که از منابع خطا میباشد و دقت مدار را کاهش میدهد. مدار شکل[6] 2 که در سال 2009 بیان گردید یک نمونه از مدار بیشینهیاب BT میباشد.
در این ساختار با استفاده از یک مدار تبدیل جریان به تاخیر و مقایسه زمانهای تاخیر برنده هر طبقه مشخص شده و در نهایت با مقایسه تاخیرها برنده نهایی مشخص میشود. با این روش نیاز به آئینه جریان نیز مرتفع میشود. پیاده- رسیدن به دقتهای مناسب میباشند که مقایسه تاخیرهای نزدیک به هم بسیار سخت میباشد شکل[8] 3 حالتی از شبکههای بیشینهیاب بر اساس خودریستی ساده و ترکیب نرونها عمل میکنند و به اصطلاح I&F نامیده میشوند. عملکرد I&F به گونهای است که نرونها شدت جریان-های ورودی را به یک سیگنال در حوزه زمان تبدیل میکنند.
جریانهای ورودی بزرگتر در خروجی بافر ولتاژ ضربهای با محدوده زمانی کوچکتری تولید میکنند و در مقابل با اعمال جریانهای ورودی کوچکتر ولتاژ ضربهای تولید شده محدوده زمانی بیشتری دارد. عملکرد آن مانند یک شبکه بیولوژیکی میباشد که جریان-های ورودی روی یک خازن تجمع میشوند تا رسیدن به یک ولتاژ آستانه که باعث فعال شدن مدار بعدی میشوند، درست مانند یک شبکه عصبی که تحریکات در هسته مرکزی - SOMA - تجمع می-شوند تا وقتی که به یک حد آستانه فعالیت میرسند و سپس فرمان میدهند.
سازیها دیگری نیز با این روش انجام شده است که از مهمترین آنها می توان به[7] اشاره نمود. و در نهایت روش سوم، روش زمانی است که به خاطر خصوصیات خاص، این مدارها با تکنولوژیهای امروزی سازگار و قابل پیادهسازی میباشند و در ولتاژهای پائین پاسخ مناسب خوبی را دارند. سیگنالهای ورودی میتوانند ولتاژ یا جریان باشند که به یک تاخیر زمانی تبدیل میشوند و پس از آن یک مدار، تاخیر هر یک از ورودیها را مقایسه و سیگنالی که تاخیر کمتری دارد به عنوان سیگنال برنده انتخاب میشود. خصوصیت این نوع مدارها سرعت و دقت مناسب به همراه توان مصرفی پائین است. از مشکلات این نوع مدارها اولا: تطبیق بین المانهای مورد کاربرد در آنها است ثانیا: نیاز به تقویت کننده زمان تاخیر برای.
شکل :3 مدار بیشینهیاب دامنه زمانی از تجمع و فعالسازی نرونها [8] I&F
با توجه به موارد بیان شده در بالا جهت بهبود هر یک از معایب مدارهای فوق مداری طراحی گردیده است که دارای توان و دقت مناسب باشد و بتواند در رنج جریانی و فرکانس مناسب نیز کارایی لازم را از خود نشان دهد، ضمن اینکه در ولتاژهای پایین نیز کارایی لازم را داشته باشد.
-3 طراحی و شبیهسازی مدار بیشینهیاب پیشنهادی باتوان مصرفی پایین
- مدار بیشینهیاب پیشنهادی شکل 4
شکل :4 مدار بیشینهیاب پیشنهادی
مدار بیشینهیاب پیشنهادی شامل3 بلوک اصلی و 2 بلوک جانبی میباشد که به شرح ذیل میباشند:
-1بلوکهای اصلی:
الف - COMPARATOR1
ب - COMPARATOR2
ج - COMPARATOR3
-2بلوکهای جانبی :
الف - D-FF ب - DECODER
جریان ورودی صورت میگیرد و برحسب اینکه کدام جریان بیشتر است در خروجی سیگنال برنده به صورت سیگنال F11 ظاهر می-گردد. جریانهای ورودی به COMPARATOR1 پس از اینکه از مدارات آینهجریان عبور کردند یک جریان به صورت "منبع جریان چشمه" و یک جریان به صورت جریان چاه تخلیه" به خازن مربوطه اعمال شده و توسط پالس ریست در فرکانسکاری مدار و زمان معین با همدیگر مقایسه میگردند . نتیجه مقایسه دو جریان ورودی طبق جدول شماره 1 در خروجی بافر ظاهر میگردد. ضمنا در این بلوک دو جریان به صورت "منبع جریانهای چشمه" A و B برای مقایسه در مرحله دوم - COMPARATOR3 - نمونه برداری میشوند.
جدول :1 نتیجه مقایسهگرهای1و2
شکل5 شمای داخلی COMPARATOR1 میباشد. جریانهای ورودی به ترانزیستورهای Q13 و Q10 اعمال میشوند و به صورت آینهجریان در ترانزیستورهای Q2 هر شاخه ظاهر و جهت مقایسه به خازن C1 و بافر اعمال میگردند
شکل :5 شمای داخلی COMPARATOR1
