Φαινόμενα διαταραχών σε διατάξεις και διερεύνηση της διακριτότητας σε μικτά κυκλώματα ανάγνωσης αισθητήρων

Abstract

The rapid progress of electronic circuits has paved their way into various fields of everyday life. The critical reasons for this expansion include their reduced power consumption, allowing them to be integrated in portable systems of various functions, the continuous shrinkage of their area, as well as their low fabrication cost. One of the most important applications of the designed electronic circuits and devices is the interaction of computers with the physical world. The electronic devices of this technologic branch can be divided into two broad groups: sensors and actuators. The combination of these fundamental elements allows the sensing of the physical world and the extraction of information from it and subsequently, the direct acting upon it. The interaction of electronic systems with the physical world involves the measurement and storage of the physical parameters they are monitoring, which is achieved through the use of DAQ systems. The DAQ systems can take many forms, while their performance also varies, based on the requirements of each application. In the present thesis two DAQ systems are studied, from two different practical applications. The first is used in biological detection experiments, whereas the second focuses on the detection of high-energy astroparticles. A detailed analysis of the two architectures is provided and the various decisions during their design are explained. In addition, the measured performance of the implemented systems is presented and their interface with the user is briefly discussed.Perhaps the most important limitation in modern DAQ systems is the presence of electronic noise, stemming from its own circuits. This noise is unavoidable, but there are design choices and circuit techniques that lead to its significant reduction. Thus, the use of circuit simulation programs is critical, so as to achieve the target specifications with the minimum design and implementation effort. To that end, the device noise models used by circuit simulators need to be updated to cover the latest and most technologically advanced MOSFET devices, accurately predicting their electronic noise.Given the above reasoning, a detailed noise analysis of the implemented DAQ systems is provided and the influence of electronic noise on their resolution is studied. Regarding the use of modern, ultra-short channel MOSFET technologies for the implementation of DAQ circuits, a semi-classical approach to their operation is given, modeling the presence of shot noise in their drain current. The resulting noise model is compared to relevant noise measurements of the literature and the findings are presented here, as a starting point for future research.

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.