Φαινόμενα διαταραχών σε διατάξεις και διερεύνηση της διακριτότητας σε μικτά κυκλώματα ανάγνωσης αισθητήρων
Authors: Σπαθής Χρήστος 
Published: September 2021

Η ραγδαία πρόοδος των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων έχει επιτρέψει τη διείσδυσή τους σε διάφορους τομείς της καθημερινότητας τού ανθρώπου. Βασικά οχήματα τής εξάπλωσης αυτής είναι η χαμηλή κατανάλωση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, που έδωσε τη δυνατότητα ενσωμάτωσή τους σε φορητά συστήματα κάθε χρησιμότητας, η διαρκής μείωσης τής επιφάνειας που καταλαμβάνουν, αλλά και το μικρό κόστος παραγωγής τους.Από τις σημαντικότερες εφαρμογές των σχεδιαζόμενων συσκευών και κυκλωμάτων αφορά στην αλληλεπίδραση των υπολογιστικών συστημάτων με το περιβάλλον. Οι ηλεκτρονικές συσκευές αυτού τού κλάδου τής τεχνολογίας μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες ομάδες: στους αισθητήρες και στους ενεργοποιητές (sensors and actuators). Ο συνδυασμός αυτών των δύο θεμελιωδών μονάδων επιτρέπει την ανίχνευση και εξαγωγή μιας πληθώρας πληροφοριών από το φυσικό περιβάλλον και εν συνεχεία την απευθείας επίδραση σε αυτό.Η αλληλεπίδραση των ηλεκτρονικών συστημάτων με το περιβάλλον περιλαμβάνει τη μέτρηση και καταγραφή των φυσικών παραμέτρων που παρακολουθούν, η οποία επιτυγχάνεται με τα συστήματα DAQ (Data Acquisition-Συλλογής Δεδομένων). Τα συστήματα DAQ μπορούν να πάρουν διάφορες μορφές, υλοποιώντας ένα πλήθος διαφορετικών μεθόδων μέτρησης και ψηφιοποίησης των δεδομένων, ενώ και οι επιδόσεις τους διαφέρουν, ανάλογα με τις απαιτήσεις τής εκάστοτε εφαρμογής. Στην παρούσα διατριβή μελετώνται αναλυτικά δύο συστήματα DAQ από δύο διαφορετικές πρακτικές εφαρμογές. Το πρώτο από αυτά μπορεί να βρει χρήση σε βιολογικά πειράματα ανίχνευσης, ενώ το δεύτερο αφορά στην ανίχνευση αστροσωματιδίων υψηλών ενεργειών. Γίνεται αναλυτική παρουσίαση των αρχιτεκτονικών, καθώς και η σχετική επεξήγηση για τις αποφάσεις που πάρθηκαν στη φάση τού σχεδιασμού. Παρουσιάζονται επίσης οι μετρημένες επιδόσεις των υλοποιημένων συστημάτων και περιγράφεται σύντομα και το λογισμικό των διεπαφών. Ίσως ο βασικότερος περιορισμός στον σχεδιασμό των σύγχρονων συστημάτων DAQ είναι ο ηλεκτρονικός θόρυβος που προέρχεται από τα κυκλώματα που τα αποτελούν. Ο θόρυβος αυτός είναι αναπόφευκτος, υπάρχουν όμως επιλογές σχεδιασμού και κυκλωματικές τεχνικές που οδηγούν στην αισθητή μείωσή του. Επομένως, είναι κρίσιμη η χρήση εξομοιωτών κυκλωμάτων που είναι σε θέση αν προβλέψουν με ακρίβεια τον θόρυβο, ώστε η σχεδίαση να επιτυγχάνει τις απαραίτητες επιδόσεις με τις λιγότερες δυνατές προσπάθειες σχεδιασμού και υλοποίησης. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο σκοπός, τα μοντέλα θορύβου που χρησιμοποιούν οι εξομοιωτές πρέπει να εξελιχθούν ώστε να καλύπτουν τις σύγχρονες συσκευές MOSFET τελευταίας τεχνολογίας και να προβλέπουν με ακρίβεια τον ηλεκτρονικό θόρυβο που παράγουν.Με βάση τα παραπάνω, γίνεται λεπτομερής ανάλυση θορύβου των κυκλωμάτων DAQ που υλοποιήθηκαν και υπολογίζεται η επίδραση τού θορύβου στη διακριτότητά τους. Σε ό,τι αφορά την ενδεχόμενη χρήση νεότερων, μικρών διαστάσεων τεχνολογιών MOSFET για την υλοποίηση κυκλωμάτων, περιγράφεται μία ημι-κλασσική προσέγγιση τής λειτουργίας των συσκευών FET νανο-διαστάσεων, όπου διερευνάται η εμφάνιση τού θορύβου βολής, σύμφωνα και με τα πιο πρόσφατα ευρήματα τού επιστημονικού χώρου. Ένα προσεγγιστικό μοντέλο για τον υπολογισμό του θορύβου συγκρίνεται με μετρήσεις τις βιβλιογραφίας και τα ευρήματά του παρουσιάζονται ως αφετηρία για μελλοντική έρευνα.