Οι ηλεκτρονικοί αρμονικοί ταλαντωτές είναι βαθμίδες με ευρεία εφαρμογή σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα, σε συστήματα επεξεργασίας σήματος και σε ηλεκτρονικά ισχύος. Στην εργασία αυτή, προτείνεται μια νέα γενική τοπολογία ταλαντωτή πολλαπλών φάσεων, η οποία λειτουργεί στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κύρια πλεονεκτήματα είναι η δυνατότητα λειτουργίας σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας και η ηλεκτρονική ρύθμιση της συμπεριφοράς του ταλαντωτή. Ως παράδειγμα σχεδίασης δίνεται ένας αρμονικός ταλαντωτής πολλαπλών φάσεων εξόδου 3ης/6ης τάξης, που η εξομοίωση της λειτουργίας του έγινε με τη χρήση του λογισμικού Analog Design Environment της Cadence. / Electronic harmonic oscillators are stages with wide application in telecommunication systems, in signal processing systems and power electronics. In this project, a new multiphase oscillator topology is proposed, designed to operate in sinh domain. Main advantages are the ability to operate at low voltage and the electronic tuning of the oscillator’s behavior. A multiphase sinusoidal oscillator, 3rd/6th order, is given as an example. The validity of the proposed methods is verified through simulation results using the Cadence Analog Design Environment software.

Το αριθμητικό σύστημα υπολοίπων (RNS) έχει προταθεί ως ένας τρόπος για επιτάχυνση των αριθμητικών πράξεων του πολλαπλασιασμού και της πρόσθεσης. Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα της χρήσης του RNS είναι ότι οδηγεί σε κυκλώματα που έχουν το χαρακτηριστικό της χαμηλής κατανάλωσης. Πιο συγκεκριμένα στην παρούσα διατριβή γίνεται μια αναλυτική μελέτη πάνω στην ταχύτητα διεξαγωγής της πράξης του πολλαπλασιασμού και της άθροισης. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι διότι οι εφαρμογές επεξεργασίας σήματος χρησιμοποιούν ιδιαιτέρως τις προαναφερθείσες πράξεις. Επίσης γίνεται μελέτη της ισχύος που καταναλώνεται κατά την επεξεργασία ενός σήματος με τη χρήση των προτεινόμενων αριθμητικών κυκλωμάτων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη χρήση απλών αρχιτεκτονικών τις οποίες μπορούν τα εργαλεία σύνθεσης να διαχειριστούν καλύτερα παράγοντας βέλτιστα κυκλώματα. Τέλος η διατριβή μελετά τα προβλήματα διακύμανσης των παραμέτρων του υλικού που αντιμετωπίζει η σύγχρονη τεχνολογία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Συγκεκριμένα σε τεχνολογία μικρότερη των 90nm παρατηρείται το φαινόμενο ίδια στοιχεία κυκλώματος να συμπεριφέρονται με διαφορετικό τρόπο. Το φαινόμενο αυτό γίνεται σημαντικά πιο έντονο σε τεχνολογίες κάτω των 45nm. Η παρούσα διατριβή προτείνει λύσεις βασισμένες στην παραλληλία και την ανεξαρτησία των επεξεργαστικών πυρήνων που παρέχει το RNS, για να αντιμετωπίσει το συγκεκριμένο φαινόμενο. / The Residue Number System (RNS) has been proposed as a means to speed up the implementation of multiplication-addition intensive applications, commonly found in DSP. The main benefit of RNS is the inherent parallelism, which has been exploited to build efficient multiply-add structures, and more recently, to design low-power systems. In particular, this dissertation deals with the delay complexity of the multiply-add operation (MAC). The reason for this is that DSP applications are MAC intensive and hence this dissertation proposes solutions to increase the speed of processing. Furthermore, the study of the multiply-add operations is extended to power consumption matters. The dissertation focus on simple architectures such that EDA tools produce efficient in both power and delay, synthesized circuits. Finally the dissertation deals with variability matters that came up as the vlsi technology shrinks below 90nm. Variability becomes unaffordable especially for the 45nm technology node. This dissertation proposes solutions based on parallelism and the independence of the RNS cores to derive variation-tolerant architectures.

Τα συστήματα μοριακής διαγνωστικής έχουν έρθει στο προσκήνιο τα τελευταία χρόνια δίνοντας τη δυνατότητα για αυτοματοποιημένες, αξιόπιστες, γρήγορες και χαμηλού κόστους βιολογικές αναλύσεις. Τέτοια συστήματα χαρακτηρίζονται από σύνθετη λειτουργικότητα, η οποία συνδυάζει πληθώρα ενεργοποιητών και αισθητήρων που συνεργάζονται για την εκτέλεση βιολογικών πρωτοκόλλων. Με βάση τα πρωτόκολλα αυτά και με τη χρήση μικροροϊκών συστημάτων, τα βιολογικά δείγματα και αντιδραστήρια υποβάλλονται σε διάφορα στάδια επεξεργασίας. Κατόπιν της επεξεργασίας τους, τα δείγματα υπό μελέτη καταλήγουν πάνω στην επιφάνεια αισθητήρων, οι οποίοι είναι ειδικά ευαισθητοποιημένοι ώστε να ανιχνεύουν συγκεκριμένες βιολογικές αλληλεπιδράσεις ενδιαφέροντος και να αποκρίνονται μεταβάλλοντας αναλόγως ένα φυσικό μέγεθος, μετρήσιμο από ηλεκτρονικά κυκλώματα. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ανάγνωσης των αισθητήρων αποτελούν ένα από τα κυριότερα τμήματα ενός συστήματος μοριακής διαγνωστικής, καθώς βάσει της απόκρισης αυτών προκύπτουν τα διαγνωστικά αποτελέσματα. Κατά συνέπεια, αναγνωρίζεται ο σημαντικός ρόλος που κατέχουν στη συνολική αναλυτική διαδικασία. Είναι απαραίτητο οι μετρήσεις που εκτελούν να χαρακτηρίζονται από μεγάλη ακρίβεια με υψηλή διακριτική ικανότητα για κάθε αισθητήριο στοιχείο. Ταυτόχρονα όμως, πρέπει να εξασφαλίζεται και η αξιοπιστία της μέτρησης σε επίπεδο βιολογικής διεργασίας. Σε αυτό το στόχο συντελεί η χρήση συστοιχιών αισθητήρων, με τις οποίες η ίδια μέτρηση μπορεί να εκτελεστεί παράλληλα σε πολλά στοιχεία και συνοδεύεται από μετρήσεις θετικού και αρνητικού ελέγχου. Πάνω στη συστοιχία μπορούν να εκτελεστούν και συμπληρωματικές μετρήσεις περισσότερων δειγμάτων, ώστε τα αποτελέσματα που εξάγονται να δίνουν μια πιο ολοκληρωμένη αναλυτική εικόνα. Υπό αυτό το πρίσμα, οι μεγάλου μεγέθους συστοιχίες αισθητήρων μπορούν να προσφέρουν βέλτιστα αποτελέσματα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στα κυκλώματα ανάγνωσης συστοιχιών χωρητικών και ηλεκτροχημικών αισθητήρων, δύο ευρέως χρησιμοποιούμενων τεχνολογιών αισθητήρων. Η αρχή λειτουργίας των χωρητικών αισθητήρων βασίζεται στο γεγονός ότι οι αλληλεπιδράσεις βιομορίων που μελετούνται ασκούν δυνάμεις και παραμορφώνουν την ευέλικτη μεμβράνη πυριτίου που αποτελεί τον έναν οπλισμό ενός μεταβλητού πυκνωτή. Συνέπεια αυτής της παραμόρφωσης είναι η ανάλογη μεταβολή της χωρητικότητας που παρουσιάζει η μεμβράνη με το υπόστρωμα πυριτίου, μεταβολή που μετράται από το κύκλωμα. Στην περίπτωση των ηλεκτροχημικών αισθητήρων, η αντίστοιχη αλληλεπίδραση βιομορίων, με τη βοήθεια βιομορίων σήμανσης, προκαλεί τη μεταβολή της αγωγιμότητας μεταξύ των ηλεκτροδίων τους. Υπό ελεγχόμενες συνθήκες πόλωσης τάσης, το αναπτυσσόμενο ρεύμα που μετράται αντιστοιχεί στην εξέλιξη του βιολογικού φαινομένου. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις δυνατότητες κλιμάκωσης της εκάστοτε αρχιτεκτονικής ώστε να είναι επεκτάσιμη στην ανάγνωση πολύ μεγάλων συστοιχιών αισθητήρων με βέλτιστο τρόπο, διατηρώντας μικρές διαστάσεις για τα κυκλώματα ανάγνωσης. Συγχρόνως, εξασφαλίζεται με διάφορες στρατηγικές η ορθή λήψη μετρήσεων από κάθε στοιχείο, χωρίς την επίδραση από τα υπόλοιπα μέλη της συστοιχίας. Για την ανάγνωση συστοιχιών χωρητικών αισθητήρων σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ολοκληρωμένο κύκλωμα σε τεχνολογία 0.35 μm, που στον πυρήνα της μέτρησης διαθέτει έναν ταλαντωτή χαλάρωσης με βρόχο υστέρησης ρεύματος. Υποστηρίζεται από προγραμματιζόμενες πηγές ρεύματος διέγερσης ώστε να καλύπτεται ένα ευρύ φάσμα χωρητικοτήτων για τους αισθητήρες. Το σύστημα πολύπλεξης που αναπτύχθηκε για τη διασύνδεση κάθε μέλους από τις συστοιχίες αισθητήρων πάνω στον πυρήνα ανάγνωσης μπορεί να διαχειριστεί πεπλεγμένες συστοιχίες, όπου τα στοιχεία είναι οργανωμένα με κοινές γραμμές και στήλες ηλεκτρικών επαφών στους οπλισμούς τους. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η δημιουργία μεγάλων συστοιχιών με μικρό πλήθος ακροδεκτών διασύνδεσης. Η πρόκληση της ανάγνωσης τέτοιου είδους συστοιχιών έγκειται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχείων, λόγω ανεπιθύμητων μονοπατιών στο ρεύμα φόρτισης του ταλαντωτή. Μία πρώτη αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος διαφωνίας γίνεται με τη χρήση διακοπτών δύο καταστάσεων στις μονάδες πολύπλεξης, ώστε να ελέγχεται ο τρόπος με τον οποίο διεγείρεται το μετρούμενο καθώς και τα υπόλοιπα στοιχεία κατά τη μέτρηση. Με διαδοχικές μετρήσεις υπό διαφορετικές συνδεσμολογίες στους πολυπλέκτες και με κατάλληλη μαθηματική επεξεργασία, μπορούν να εξαχθούν ακριβείς μετρήσεις για την κατάσταση κάθε αισθητήρα της συστοιχίας. Η στατικότητα του συστήματος κατά τη διάρκεια των διαδοχικών μετρήσεων που είναι προϋπόθεση για το σωστό υπολογισμό των αποτελεσμάτων, βασίζεται στην ιδιαίτερα αργή εξέλιξη των βιολογικών φαινομένων στην επιφάνεια των αισθητήρων. Στα πλαίσια της διατριβής έγινε και ένας επανασχεδιασμός του κυκλώματος ανάγνωσης συστοιχιών, σε επίπεδο σχηματικού και φυσικού σχεδιασμού, του οποίου η λειτουργία επιβεβαιώθηκε με post-layout εξομοιώσεις. Σε αυτή την ανάπτυξη έγινε προσθήκη επιπλέον υπομονάδων και η βελτίωση των υπαρχουσών. Από τα κύρια χαρακτηριστικά αυτού του σχεδιασμού είναι μια μονάδα απομονωτή, που προσφέρει έναν δεύτερο τρόπο αντιμετώπισης του προβλήματος διαφωνίας μεταξύ των στοιχείων, αποτρέποντας το ρεύμα φόρτισης του ταλαντωτή να οδηγηθεί προς μη επιθυμητά στοιχεία. Επιπλέον, οι μονάδες ταλάντωσης που χρησιμοποιεί το επανασχεδιασμένο κύκλωμα είναι δύο, για ταυτόχρονη ανάγνωση αισθητήρων και ταχύτερη σάρωση μεγάλων συστοιχιών, με το εύρος του προγραμματιζόμενου ρεύματος να είναι μεγαλύτερο, καλύπτοντας μεγαλύτερο φάσμα αισθητήρων. Τέλος, αυτή η έκδοση του κυκλώματος έχει πιο αυτόνομο χαρακτήρα, με την ενσωμάτωση ενός υποσυστήματος σειριακής επικοινωνίας και ελέγχου. Για τη δεύτερη τεχνολογία αισθητήρων που καλύπτει η παρούσα διατριβή, των ηλεκτροχημικών αισθητήρων, σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν κυκλώματα ανάγνωσης συστοιχιών με χρήση διακριτών στοιχείων, καθώς επίσης και κυκλώματα με το βασικό πυρήνα μέτρησης να υλοποιείται σε ολοκληρωμένη μορφή με τεχνολογία 90 nm. Για τους σχεδιασμούς αυτούς έχει αναπτυχθεί η τεχνική της υβριδικής πολύπλεξης, βάσει της οποίας τα μέλη της συστοιχίας ομαδοποιούνται καταλλήλως, ώστε να επιτευχθούν οι απαιτούμενες επιδόσεις σε ρυθμούς δειγματοληψίας από το κύκλωμα ανάγνωσης, ενώ παράλληλα το μέγεθος του κυκλώματος παραμένει μικρό. Η υβριδική πολύπλεξη συνδυάζει διαδοχική ανάγνωση με παράλληλη ανάγνωση στοιχείων, κάνοντας χρήση πολυπλεκτών και κατάλληλου αριθμού υποσυστημάτων μέτρησης που επαναχρησιμοποιούνται για πολλά αισθητήρια στοιχεία. Η ιδιαιτερότητα που έχουν αυτού του τύπου οι μετρήσεις έγκειται στην απαίτηση για διαρκή πόλωση όλων των στοιχείων χωρίς διακοπή της ροής του ρεύματος μέσω αυτών, που καλύπτεται μέσω ειδικά διαμορφωμένων πολυπλεκτών δύο καταστάσεων οι οποίοι εξασφαλίζουν τις σωστές συνθήκες λειτουργίας. Επιπρόσθετες βελτιώσεις που παρέχει η υλοποίηση του κυκλώματος ανάγνωσης σε μορφή ολοκληρωμένου είναι η δυνατότητα εναλλαγής μεταξύ δύο τύπων κυκλωμάτων μέτρησης, με χρήση ενισχυτή διαντίστασης και ολοκληρωτή. Οι δύο τρόποι μέτρησης χρησιμοποιούνται συμπληρωματικά, ώστε να καλυφθεί μεγάλη δυναμική περιοχή λειτουργίας και γρήγορη απόκριση, αλλά και υψηλή ανάλυση, ανάλογα με τις απαιτήσεις κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Για το χαρακτηρισμό των κυκλωμάτων ανάγνωσης που αναπτύχθηκαν και για τις δύο τεχνολογίες αισθητήρων, έγιναν μετρήσεις με πρότυπα φορτία, καθώς και με συστοιχίες, για να εξαχθούν συμπεράσματα για την απόκρισή τους. Κατόπιν των ελέγχων καλής λειτουργίας των κυκλωμάτων και των μεθόδων που ακολουθούνται, πραγματοποιήθηκαν και επιτυχείς μετρήσεις βιολογικής σημασίας, που επιβεβαιώθηκαν από συστήματα αναφοράς. / Molecular diagnostics systems have come to the forefront in recent years allowing for automated, reliable, rapid and inexpensive bioassays. Such systems are characterized by complex functionality, which combines variety of actuators and sensors that cooperate to perform biological protocols. Based on these protocols and using microfluidic systems, biological samples and reagents are subjected to various processing steps. Following this treatment, the samples under study are placed on the surface of sensors, which are functionalized to detect specific biological interactions of interest and respond accordingly by changing a physical quantity, measurable by electronic circuits. The sensor readout electronic circuits are one of the main parts of a molecular diagnostics system, as the diagnostic results are based on their response. Consequently, it is recognized that they hold an important role in the overall analytical process. It is necessary that the measurements they perform are highly accurate with high resolution for each sensor element. At the same time, the reliability of the measurement at a biological process level must be ensured. To this aim contributes the use of sensor arrays, with which the same measurement can be performed in parallel on many elements and accompanied by positive and negative control measurements. On the array, additional measurements of multiple samples can be performed, so that the output results give a more comprehensive analytical picture. In this light, large sensor arrays can provide optimal results. This thesis focuses on the readout circuitry for capacitive and electrochemical sensor arrays, two widely used sensor technologies. The operating principle of capacitive sensors is based on the fact that the interactions between the biomolecules under study exert forces and deform the flexible silicon film constituting an armature of a variable capacitor. The consequence of this deformation is a proportional change in capacitance between the film and the silicon substrate, a variation measured by the circuit. In the case of electrochemical sensors, the respective interaction of biomolecules, with the aid of labeling biomolecules, causes a change in conductivity between their electrodes. Under controlled bias voltage conditions, the resulting current that is measured corresponds to the progress of the biological phenomenon. Particular emphasis is given to the scalability potential of each architecture, so it can be optimally expanded for reading very large sensor arrays, maintaining small dimensions for the readout circuits. At the same time, through various strategies it is ensured that measurements of each element are properly acquired, without influence from other members in the array. To read out the capacitive sensor arrays an integrated circuit based on a 0.35 μm technology was designed and implemented, which at its measuring core uses a relaxation oscillator with a current hysteresis loop. It is complemented by programmable excitation current sources to cover a wide range of capacitances for the sensors. The multiplexing system that was developed to connect each member of the sensor arrays on the readout core can handle 'entangled' arrays, where the elements are arranged with common lines and columns of electrical contacts at their armatures. In this way it is possible to create large arrays with a small number of interface terminals. The challenge of reading such arrays lies in the interactions between the elements, because of side paths in the oscillator charging current. A first way to address this crosstalk problem is the use of two-state switches in the multiplexing units, in order to control the way in which the measured element is excited, as well as the other array elements, during measurement. Through successive measurements under different connection configurations on the multiplexers and appropriate mathematical processing, accurate measurements for the status of each sensor in the array can be obtained. The measured system can be considered static during successive measurements, which is a prerequisite for the correct calculation of results, due to the very slow progress of biological phenomena on the surface of the sensors. In the course of this thesis, a redesign of the array readout circuit was made, at a schematic and physical layout design level, the function of which was confirmed by post-layout simulations. In this development extra submodules were incorporated and existing ones were improved. One of the main features of this design is a buffer unit, which offers a second way of addressing the crosstalk problem between the elements, by preventing the oscillator charging current to excite undesirable elements. Furthermore, the redesigned circuit uses two oscillation units for simultaneous sensor readout and faster scanning of large arrays, with the range of their programmable current being greater, covering a larger spectrum of sensors. Finally, this version of the circuit has a more autonomous nature, by incorporating a serial communication and control subsystem. For the second sensor technology covered by this thesis, the electrochemical sensors, array readout circuits were designed and implemented using discrete components, as well as circuits with the basic measurement core being implemented in integrated form using a 90 nm technology. For these designs the technique of hybrid multiplexing was developed, whereby the members of the array are grouped appropriately to achieve the required performance in sampling rate from the readout circuit, while the size of the circuit remains small. Hybrid multiplexing combines sequential and parallel element reading, using multiplexers and the appropriate number of measurement subsystems that are reused for many sensing elements. The particularity of this type of measurements is the requirement for continuous biasing of all elements without interruptions in the current flow through them, which is addressed by specially configured two-state multiplexers that ensure the correct operating conditions. Additional enhancements offered by the implementation of the readout circuit in integrated form is the ability to switch between two types of measurement circuits, using a transimpedance amplifier and an integrator. The two modes of measurement are used in complement, to cover a wide operating dynamic range and fast response, and also high resolution, depending on the requirements during the experimental process. For the characterization of the readout circuits developed for both sensor technologies, measurements were made using standard loads, as well as arrays, to draw conclusions about their response. Following the validation of the proper operation of the circuits and methods used, successful measurements of biological significance were made, which were confirmed by reference systems.

Στα σύγχρονα ψηφιακά συστήματα η ανάγκη για γρήγορους υπολογισμούς είναι πλέον από τους πιο καθοριστικούς παράγοντες. Άλλοι ιδιαίτερα κρίσιμοι παράγοντες είναι η απαιτούμενη επιφάνεια του κυκλώματος και η κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, ο χρόνος παραμένει ένας από τους πιο σημαντικούς για πλήθος εφαρμογές. Τα αριθμητικά κυκλώματα, όπως αθροιστές, πολλαπλασιαστές και κυκλώματα ύψωσης στο τετράγωνο, είναι πλέον αναπόσπαστο κομμάτι των ψηφιακών κυκλωμάτων, γι’ αυτό η επιτάχυνση των λειτουργιών αυτών είναι ένας στόχος στην κατεύθυνση του οποίου πολλές διαφορετικές αρχιτεκτονικές έχουν προταθεί. Η μείωση της καθυστέρησης στις αριθμητικές μονάδες θα δώσει μεγάλη βελτίωση στη συνολική απόδοση των συστημάτων, μιας και οι περισσότερες εφαρμογές εμπεριέχουν πλήθος αριθμητικών πράξεων. Η πράξη της ύψωσης στο τετράγωνο αποτελεί ειδική περίπτωση της πράξης του πολλαπλασιασμού, στην οποία ο πολλαπλασιαστέος ισούται με τον πολλαπλασιαστή. Ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούμε εξειδικευμένα κυκλώματα για την πράξη αυτή είναι η εκμετάλλευση του γεγονότος ότι τα δύο έντελα είναι ίσα, κάτι που οδηγεί σε ελαχιστοποίηση του χρόνου που απαιτείται για την ολοκλήρωση της πράξης, αλλά και μείωση της απαιτούμενης επιφάνειας. Η πράξη της ύψωσης στο τετράγωνο χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές των υψηλής απόδοσης επεξεργαστών ψηφιακού σήματος (digital signal processors – DSP). Τέτοιες εφαρμογές συμπεριλαμβάνουν φιλτράρισμα σήματος (signal filtering), επεξεργασία εικόνας (image processing), και διαμόρφωση για τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Η πράξη της ύψωσης στο τετράγωνο μπορεί, επίσης, να χρησιμοποιηθεί αποδοτικά στην υλοποίηση κρυπτογραφικών αλγορίθμων για την αποφυγή της χρονοβόρας διαδικασίας της ύψωσης σε δύναμη. Το Σύστημα Αριθμητικής Υπολοίπων (RNS), είναι ένα αριθμητικό σύστημα το οποίο παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα στην ταχύτητα με την οποία μπορούν να γίνουν οι αριθμητικές πράξεις. Στο RNS οι αριθμοί αναπαρίστανται σαν ένα σύνολο από υπόλοιπα. Για να αναπαραστήσουμε έναν αριθμό ορίζουμε ένα σύνολο από πρώτους μεταξύ τους ακεραίους που ονομάζεται βάση του συστήματος P={p1,p2,…pk}. Η αναπαράσταση ενός αριθμού X στο RNS ορίζεται ως το σύνολο των υπολοίπων του Χ ως προς τα στοιχεία της βάσης Ρ. Προκύπτει, έτσι, ότι X={x1,x2,…,xk} όπου το xi είναι το υπόλοιπο της διαίρεσης του X με το στοιχείο της βάσης pi και συμβολίζεται με Xi=|X|pi. Κάθε ακέραιος Χ που ανήκει στο εύρος τιμών 0<=X<M, όπου Μ είναι το γινόμενο όλων των στοιχείων της βάσης P, έχει μοναδική αναπαράσταση στο RNS. Μια αριθμητική πράξη δύο εντέλων, η οποία μπορεί να είναι πρόσθεση, αφαίρεση ή πολλαπλασιασμός, ορίζεται ως εξής: {z1,z2,…,zk} = {x1,x2,…,xk}*{y1,y2,…,yk}, όπου zi = (xi*yi) modpi. Συνεπώς, κάθε αριθμητική πράξη εφαρμόζεται σε παράλληλες μονάδες (μία για κάθε στοιχείο της βάσης), καθεμία από τις οποίες διαχειρίζεται μικρούς αριθμούς (υπόλοιπα), αντί μιας μονάδας που θα χρειαζόταν να διαχειριστεί μεγάλους αριθμούς. Ένα από τα πιο δημοφιλή σύνολα βάσης είναι αυτά της μορφής {2^n, 2^n -1, 2^n+1}, λόγω του ότι προσφέρουν πολύ αποδοτικά κυκλώματα με κριτήριο το γινόμενο της επιφάνειας επί το τετράγωνο της καθυστέρησης (area * time^2), καθώς επίσης και αποδοτικούς μετατροπείς από και προς το δυαδικό σύστημα. Για το λόγο αυτό η υλοποίηση αποδοτικών modulo(2^n-1) και modulo(2n+1) κυκλωμάτων είναι σημαντική. Το πρόβλημα που παρουσιάζεται είναι ότι ενώ οι modulo(2^n) και modulo(2^n-1) αριθμητικές χρειάζονται το πολύ n δυαδικά ψηφία για την αναπαράσταση όλων των δυνατών υπολοίπων, στη modulo(2^n+1) αρχιτεκτονική χρειάζονται (n+1) ψηφία. Το πρόβλημα αυτό λύνεται με τη χρήση diminished-1 αναπαράστασης. Στη diminished-1 αναπαράσταση, κάθε αριθμός Χ αναπαρίσταται ως X-1=X-1. Έτσι, απαιτούνται n δυαδικά ψηφία για την αναπαράσταση, χρειάζονται, όμως, κυκλώματα μετατροπής από και προς την diminished-1 αναπαράσταση. Όταν χρησιμοποιείται η diminished-1 αναπαράσταση η τιμή εισόδου ίση με 0 χειρίζεται ξεχωριστά. Στα πλαίσια της εργασίας αναλύονται υπάρχουσες αρχιτεκτονικές και προτείνονται νέες για κυκλώματα ύψωσης στο τετράγωνο στο Σύστημα Αριθμητικής Υπολοίπων (RNS). Οι προτεινόμενες αρχιτεκτονικές βελτιώνουν την καθυστέρηση και, ταυτόχρονα, μειώνουν τις απαιτήσεις σε επιφάνεια. / Fast computations are of major importance in modern digital systems. Other critical factors are the area and the energy consumption. However, delay is still one of the most important ones for a variety of applications. Due to the fact that arithmetic circuits, such as adders, multipliers and squarers, have been integral components of most digital systems, many schemes have been proposed in the direction of accelerating arithmetic operations. As most applications contain a big number of arithmetic operations, delay reduction in arithmetic units will lead to significant improvement in the total system’s performance. Squaring is a special case of multiplication, where the multiplier equals the multiplicand. The reason for using a special circuit for squaring is to benefit from the fact that the two operands are equal, which reduces the delay and the area needed for the calculation of the square. The squaring operation is used in many applications of high performance digital signal processors. Such applications include signal filtering, image processing and modulation of communication components. Squarers can also find applicability in several cryptographic algorithms for the implementation of modular exponentiations. The Residue Number System is an arithmetic system in which arithmetic operations can be calculated in high speed. In the RNS numbers are represented as a set of residues. In order to represent a number we define a set of pairwise relative prime integers P={p1,p2,…pk}, which is the system’s base. Every number X is represented with the set of the residues occurred after the division of X by each element of the base, P. Thus, X={x1,x2,…,xk}, where xi stands for the residue of the division of X by the ith element of the base, pi, which is denoted as Xi=|X|pi. In the RNS there is a unique representation for every integer X that 0<=X<M, where M is the product of all the elements of the base. A two-operant arithmetic operation, which can be an addition, a subtraction or a multiplication, is defined as {z1,z2,…,zk} = {x1,x2,…,xk}*{y1,y2,…,yk}, where zi = (xi*yi) modpi. Consequently, arithmetic operations are performed to parallel units (one unit for each element of the base) each one handling small residues, instead of a single unit that handles large numbers. One of the most popular base sets is those of the form {2^n, 2^n -1, 2^n+1}, due to the fact that they offer very efficient circuits when considering the area*time^2 criterion and efficient converters from/to the binary system. Thus, the design of efficient modulo (2^n-1) and modulo (2^n+1) circuits is of high importance. The problem that arises is that while in modulo(2^n) and modulo(2^n-1) arithmetic n bits are sufficient for the representation of all possible residues, in modulo(2^n+1) arithmetic (n+1) bits are needed. This can be solved by the use of the diminished-1 representation. In the diminished-1 representation every number X is represented as X-1=X-1. Therefore, n bits are sufficient for the representation, but converters from/to the diminished-1 representation are needed. In cases that the diminished-1 representation is used, operands with value 0 is treated separately. For the needs of this thesis, existing architectures of squaring circuits in the RNS are studied and new ones are proposed. The proposed architectures improve the system’s delay, while, in parallel, reduce the area needs.

- / -

- / -

Η ανίχνευση των δυναμικών δραστηριότητας συμβάλλει στη μείωση των δεδομένων προς αποστολή από ένα εμφυτεύσιμο σύστημα ασύρματης καταγραφής της νευρωνικής δραστηριότητας ενός ζώντα οργανισμού. Η παρούσα Mεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία έχει ως στόχο την σχεδίαση ενός ανιχνευτή δυναμικών δραστηριότητας σε νευρωνικές κυματομορφές ικανό να λειτουργεί σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας για την επίτευξη μειωμένης κατανάλωσης ισχύος. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται η σχεδίαση συστημάτων στο πεδίο του λογαρίθμου με τη χρήση MOS τρανζίστορ που είναι πολωμένα στην περιοχή υποκατωφλίου. Αρχικά, μελετώνται τα φυσικά χαρακτηριστικά των δυναμικών δραστηριότητας, δηλαδή το συχνοτικό τους περιεχόμενο και το σχήμα τους στο πεδίο του χρόνου. Επίσης, παρουσιάζεται ο μη-γραμμικός τελεστής ενέργειας και ο λόγος για τον οποίο αυτός καθίσταται σημαντικός στην επεξεργασία νευρωνικών σημάτων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές για τη σχεδίαση κυκλωμάτων στο πεδίο του λογαρίθμου. Ακόμα, κάνοντας χρήση των βασικών δομικών μονάδων του λογαριθμικού πεδίου, των μη-γραμμικών διαγωγών Ε Cells, υλοποιούνται τόσο οι συμπληρωματικοί τελεστές όσο και οι δομές επεξεργασίας σήματος που είναι απαραίτητες για την πραγματοποίηση του μη-γραμμικού τελεστή ενέργειας. Οι δομές αυτές είναι διαφοριστές και πολλαπλασιαστές τεσσάρων τεταρτημορίων τρόπου ρεύματος. Τέλος, δίνεται η ολοκλήρωση του συστήματος με την σχεδίαση ενός συγκριτή ρεύματος που επιτελεί την λειτουργία της κατωφλιοποίησης. Για την εξομοίωση του συστήματος, χρησιμοποιείται μια νευρωνική κυματομορφή, το Analog Design Environment του λογισμικού Cadence και οι παράμετροι της τεχνολογίας TSMC 130nm. / The detection of action potentials contributes to the reduction of data to be transmitted by an implantable wireless neural activity recording system. The goal of the present M.Sc. Τhesis is the design of an action potential detector capable of operating in a low-voltage environment, in order to achieve reduced power dissipation. For this purpose, the log-domain designing technique is suggested by using MOS transistors operating in the subthreshold region. Initially, the physical characteristics of action potentials are studied, i.e. the frequential content and time-domain shape. Moreover, the nonlinear energy operator is presented in addition to the reason that makes this system crucial for neural signal processing. Thereafter, the basic principles of designing log-domain circuits are presented. Furthermore, the complementary operators as well as the signal processing blocks that are necessary for the realization of NEO are implemented by using the main log-domain building units, the nonlinear transconductors E cells. The blocks required for the NEO implementation are current-mode differentiators and four-quadrant multipliers. Finally, the complete system is given after the design of a current comparator which is responsible for the operation of thresholding. The simulation of the system has been performed through the utilization of the Analog Design Environment of Cadence software and the design kit of TSMC 130nm process in addition to a neural waveform.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την υλοποίηση της διάταξης φόρτισης συσσωρευτών ενός μικρού ηλεκτροκίνητου οχήματος. Αυτή η διάταξη έχει ονομαστική ισχύ 1kW και αποτελεί το μέσο που συνδέει τους συσσωρευτές με το δίκτυο παροχής ενέργειας. Η εκπόνηση της εργασίας πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η υλοποίηση ενός φορτιστή ο οποίος πρέπει να έχει υψηλό βαθμό απόδοσης και ταυτόχρονα να προσφέρει ασφάλεια στο χρήστη. Ωστόσο, βασική επιδίωξη είναι να μην επιβαρύνει το δίκτυο με την έγχυση ανώτερων αρμονικών. Έτσι, στη σχεδίαση συμπεριλαμβάνεται η εφαρμογή τεχνικής Διόρθωσης του Συντελεστή Ισχύος (Power Factor Correction). Χρησιμοποιείται ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος τύπου Flyback (υποβιβασμού-ανύψωσης) με ενεργό κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων (Snubber) και μετασχηματιστή απομόνωσης. Αρχικά, παρουσιάζονται τα οφέλη της ηλεκτροκίνησης. Κατόπιν, πραγματοποιείται η θεωρητική ανάλυση και μελέτη της βαθμίδας φόρτισης, για κατανόηση και επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας της διάταξης. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία σχεδιασμού του φορτιστή. Έτσι, καθορίζονται οι προδιαγραφές και τα χαρακτηριστικά του, ο οποίος πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για τους συσσωρευτές του ηλεκτρικού οχήματος «Buggy» του Εργαστηρίου. Το επόμενο βήμα αποτελεί η προσομοίωση της υπό μελέτη διάταξης στο λογισμικό προσομοίωσης κυκλωμάτων Simulink του Matlab. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται επιβεβαίωση της θεωρητικής ανάλυσης που προηγήθηκε. Τέλος, παρουσιάζεται το πρακτικό σκέλος της εργασίας, που εκπονήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος «Πρακτικής Άσκησης Φοιτητών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών», στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις της εταιρίας APTRONIC HELLAS, η οποία εξειδικεύεται στην παροχή προσαρμοσμένων λύσεων στα ηλεκτρονικά ισχύος. Πέρα από την εξοικείωση με το εργασιακό περιβάλλον, πραγματοποιήθηκε το σχηματικό και το τυπωμένο κύκλωμα του φορτιστή στο λογισμικό Zuken Cadstar. / The present diploma thesis deals with the design and implementation of a charger which is used for the batteries of a small electric vehicle. This device has nominal power of 1kW and is the medium that connects the batteries to the power grid. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion at the Department of Electrical Engineering and Computer Science of the Polytechnic School in the University of Patras. The objective is to implement a charger which has high efficiency and simultaneously provides safety to the user. However, it is crucial not to overload the network by injecting higher harmonics. Thus, the design included the application of a Power Factor Correction Technique. The Power Electronic Converter which is used is a Flyback Topology (Buck-Boost Converter). Moreover, it disposes of an active surge suppression circuit (Snubber) and isolation transformer. Initially, the benefits of electrification are analysed. Then, the theoretical analysis of this device is provided so that its proper function is guaranteed. In addition, the design process of the charger is presented in detail. Consequently, all the specifications and features for the charger, which will be used for the batteries of the electric vehicle «Buggy» of the Laboratory, are determined. The next step in this thesis is the simulation of the device with Simulink of Matlab. In this way, the theoretical analysis is confirmed. Finally, the practical part of the work is presented. It was carried out during an Internship in APTRONIC HELLAS (a Phoenix Contact Company). Many projects are conducted at the industrial facilities of this company, which specializes in providing solutions in Power Electronics. Besides work experience, a schematic and a printed circuit for the charger was designed in Zuken Cadstar.

Αντικείμενο της παρούσας Ειδικής Επιστημονικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη φίλτρων στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας με τη μέθοδο του γραμμικού μετασχηματισμού (Linear Transformation). Ως παράδειγμα, δίνεται η σχεδίαση, η εξομοίωση και τέλος η φυσική σχεδίαση ενός ελλειπτικού βαθυπερατού φίλτρου 3ης τάξης στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας (Square-Root Domain). Για λόγους σύγκρισης, η σχεδίαση του φίλτρου γίνεται με τέσσερις διαφορετικές μεθόδους εξομοίωσης παθητικών φίλτρων (Leapfrog, Topologic, Wave και Linear Trasformation method) και η ανάλυση κάθε μεθόδου παρουσιάζεται σε αντίστοιχο κεφάλαιο. / The subject of this master thesis is the design of analog filters in square root domain utilizing the method of Linear Transformation. As a design example a third order elliptic lowpass filter transfer function will be realized. For comparison results we are using four different design methods (Leapfrog, Topologic, Wave and Linear Trasformation)in order to realize such filter. Each synthesis method is demonstrated in different chapter.

Η ανάγκη για ολοκληρωμένα κυκλώματα που λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες/ταχύτητες πηγάζει από το γεγονός ότι οι τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές νέας γενιάς βασίζονται στη μετάδοση και τη λήψη δεδομένων με πολύ μεγάλους ρυθμούς. Οι υλοποιήσεις των εφαρμογών αυτών σε τεχνολογίες πυριτίου παρουσιάζουν μεγάλες σχεδιαστικές προκλήσεις. Στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής, έχοντας κατά νου τις παραπάνω προκλήσεις, αρχικά παρουσιάζεται μια αναλυτική διαδικασία για την εξαγωγή των παραμέτρων μετάδοσης διαφορικών γραμμών μεταφοράς υλοποιημένων σε τεχνολογία πυριτίου. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στη χρήση των παραμέτρων σκέδασης μεικτού ρυθμού και έχει το πλεονέκτημα ότι εξάγει τα χαρακτηριστικά των διαφορικών γραμμών μεταφοράς χωρίς τη χρήση επαναληπτικών μεθόδων. Ένα άλλο θέμα που πραγματεύεται η παρούσα διατριβή είναι μια μεθοδολογία βαθμονόμησης (calibration) για την αύξηση της ακρίβειας ηλεκτρομαγνητικού εξομοιωτή στην εξαγωγή των παραμέτρων που έχουν παθητικά στοιχεία (γραμμές μεταφοράς και σπειροειδείς επαγωγοί υλοποιημένα σε τεχνολογία πυριτίου). Οι δύο παραπάνω μεθοδολογίες χρησιμοποιήθηκαν για τη σχεδίαση και την υλοποίηση πλήρως διαφορικού κατανεμημένου ταλαντωτή ελεγχόμενου από τάση σε τεχνολογία πυριτίου 0.35μm SiGe BiCMOS. Για τη ρύθμιση της συχνότητας χρησιμοποιείται η τεχνική της μεταβολής καθυστέρησης με την αρωγή θετικής ανάδρασης. Η συνεισφορά της παρούσης διδακτορικής διατριβής είναι ότι ο παραπάνω ταλαντωτής είναι ο πρώτος πλήρως ολοκληρωμένος κατανεμημένος διαφορικός ταλαντωτής. / The demand for high speed/high frequency integrated circuits stems from the fact that modern communication applications require high bit rate data transfer. The implementations of these applications on silicon based technologies impose several design challenges. This dissertation tries to address some of these issues. First, we propose a direct parameter extraction procedure for the case of symmetrical differential transmission lines. This method is based on the mixed-mode S-parameter theory and its main advantage is the fact that it doesn’t use any kind repetitive algorithms. Another issue that this dissertation addresses is a calibration methodology for the augmentation of the parameter extraction accuracy of high frequency passive elements (transmission lines and spiral inductors) when an electromagnetic simulator is used. The abovementioned methodologies were utilized in the design and implementation of a fully integrated differential distributed voltage controlled oscillator in a 0.35 μm SiGe BiCMOS technology. As a frequency tuning technique the delay variation by positive feedback is used. The main contribution of this dissertation is the fact that this oscillator is the first fully integrated differential distributed oscillator.