Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται μεθοδολογίες σχεδιασμού που επιτρέπουν την μείωση την κατανάλωση ενέργειας σε υλοποιήσεις ασύρματων εφαρμογών πολυμέσων. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες βελτιστοποιούν την διαχείριση της μνήμης, η κατανάλωσης της οποίας είναι η κυρίαρχη συνιστώσα της συνολικής κατανάλωσης ισχύος στις εφαρμογές πολυμέσων. Επιπλέον, η διατριβή πραγματεύεται τεχνικές για χαμηλής κατανάλωσης διαμερισμό, ο οποίος είναι απαραίτητος για την εκτέλεση σε πραγματικό χρόνο των υψηλής υπολογιστικής πολυπλοκότητας εφαρμογών πολυμέσων. Στόχο της παρούσας διατριβής αποτελεί και η βελτιστοποίηση, όσον αφορά την κατανάλωση ισχύος, των κυκλωμάτων ασύρματης μετάδοσης των πολυμέσων. Στο πλαίσιο αυτό η διατριβή ασχολείται με τεχνικές διαχείρισης ισχύος, και προτείνει υλοποιήσεις που χρησιμοποιούν τις τεχνικές αυτές. Οι μεθοδολογίες και τεχνικές λαμβάνουν υπόψη και την επιφάνεια ολοκλήρωσης και ταχύτητα εκτέλεσης. Τα ισοζύγια (trade-offs) αναγνωρίζονται, και όπου αυτά υπάρχουν προτείνονται μέθοδοι για την αποδοτική τους επίλυση. / In this Ph.D. dissertation, design methodologies that enable energy minimization of wireless multimedia application realizations are presented. The proposed methodologies mainly optimize the management of the memory subsystem, which role is dominant as far as energy dissipation of multimedia application is concerned. Furthermore, techniques for the low-power partitioning, which is required for the real-time implementation of the highly computational complex multimedia applications, are proposed. Apart from the multimedia processing itself the dissertation, also focuses on the transmition of the multimedia content. To this end, power management techniques applicable for the design of wireless receivers are proposed. The proposed techniques are employed for the design of real-life implementation of low and medium rate receivers. Apart from energy minimization The proposed methodologies and techniques take into account constraints regarding the integration area as well as the processing time. The involved trade-offs are identified, and methods for their efficient exploration are proposed

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την σχεδίαση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για βιοϊατρικές εφαρμογές. Δίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα στην υλοποίηση διαγωγών χαμηλής τροφοδοσίας και ενισχυτών ρεύματος οδηγούμενων από το υπόστρωμα. Όπως σε όλα τα διαφορικά κυκλώματα, έτσι και στους διαφορικούς διαγωγούς κύριο μέλημα των σχεδιαστών είναι η γραμμικότητα τους και οι παράμετροι που την επηρεάζουν. Προτείνεται ένας διαγωγός χαμηλής τροφοδοσίας που βασίζεται στην βαθμίδα ακόλουθου τάσης με αναστροφή και προσομοιώνεται για να μελετηθεί το εύρος της γραμμικότητας του, η απόκριση συχνότητας και η συμπεριφορά του σε χρονικά μεταβαλλόμενο ημιτονοειδές σήμα. Ο ενισχυτής ρεύματος οδηγούμενος από το υπόστρωμα που παρουσιάζεται σε αυτήν την εργασία εκμεταλλεύεται όλους τους βαθμούς ελευθερίας ενός MOS τρανζίστορ πολωμένου στην ασθενή αναστροφή και στον κόρο. Η τεχνική οδήγησης από το υπόστρωμα χρησιμοποιείται ευρέως στην σχεδίαση κυκλωμάτων χαμηλής τροφοδοσίας, αφού έχει μειωμένες απαιτήσεις τάσης, ενώ είναι και ανεξάρτητη από περιορισμούς σχετικούς με την τάση κατωφλίου. Επιπρόσθετα, τα τρανζίστορ με οδήγηση από το υπόστρωμα διατηρούνται στην περιοχή κόρου για αρνητικές, μηδενικές και σχετικά μικρές θετικές τιμές της τάσης πόλωσης VBS. Έτσι, μπορούν να επεξεργάζονται σήματα εισόδου κοινού τρόπου (common-mode input range) μεγάλης τιμής και με μεγάλο εύρος κυμάτωσης κάτι που δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί με συμβατικές κυκλωματικές τεχνικές σε τόσο χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Όμως, τα τρανζίστορ με οδήγηση από το υπόστρωμα έχουν μικρή τιμή διαγωγιμότητας και είναι ευαίσθητα στον θόρυβο. Άλλο μειονέκτημα της τεχνικής με οδήγηση από το υπόστρωμα είναι ότι η πόλωση των τρανζίστορ εξαρτάται από την τεχνολογία ολοκλήρωσης. Το κέρδος του ενισχυτή ρεύματος οδηγούμενου από το υπόστρωμα μεταβάλλεται με εκθετικό τρόπο. Αυτή η ιδιότητα είναι σημαντική και χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα αυτομάτου ελέγχου κέρδους όπου το σήμα εισόδου μεταβάλλεται αρκετές τάξεις μεγέθους. Σε ένα παρόμοιο σύστημα χρησιμοποιούμε και τα προαναφερθέντα κυκλώματα και εξετάζουμε την συνολική συμπεριφορά του. Οι προδιαγραφές αυτών των κυκλωμάτων επιτρέπουν την εφαρμογή τους στην βιοϊατρική, αφού εμφυτεύσιμα συστήματα, βίο-αισθητήρες και βοηθητικά ακοής επεξεργάζονται σήματα σχετικά χαμηλών συχνοτήτων με χαμηλή τάση τροφοδοσίας. / This diploma thesis forms a study on the design of analog circuits for biomedical applications. We focus on the realization of low voltage transconductors and Bulk-Driven current amplifiers. Like all the differential circuits, the designers’ main concern for a differential transconductor is its linearity and the parameters that affect it. We propose a low voltage transconductor based on Flipped Voltage Follower topology and we simulate it in order to study the range of the linearity, frequency response and its behavior in temporally varying sinusoidal signal. The Bulk-Driven current amplifier presented in this thesis takes advantage of all degrees of freedom of a MOS transistor biased in weak inversion and in saturation. The Bulk-Driven technique is widely used in the design of low voltage supply, because it has reduced demands on voltage and is independent of restrictions related to the threshold voltage. Moreover, Bulk-Driven transistors are maintained in saturation for negative, zero and even small positive values of the bias voltage VBS. Consequently, they can process large input common mode signals and signals with large swing voltage range, a property that could not be achieved with conventional circuit techniques at low power supply voltages. However, the transconductance of a Bulk –Driven transistor is smaller and is sensitive to noise. Another disadvantage of the Bulk-Driven technique is that the polarity of the transistor is process related. The gain of the Bulk-Driven current amplifier varies exponentially. This property is important and it is used widely in systems of automatic gain control where input signals can range several orders of magnitude. The specifications of these circuits allow their appliance in biomedicine, because implanted systems, biosensors and hearing aids process signals of relatively small frequencies with low voltage supply.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται το φαινόμενο του κεραυνού και οι επιπτώσεις αυτού του φαινομένου στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Για καλύτερη κατανόηση των διαφόρων ηλεκτρικών φαινομένων μοντελοποιήθηκε ένα τριφασικό δίκτυο μέσης και χαμηλής τάσης έτσι ώστε να εξαχθούν μετρήσεις που αντικατοπτρίζουν τις επιπτώσεις που έχουν τα κεραυνικά πλήγματα στον εξοπλισμό και στο φορτίο του δικτύου. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία σύντομη εισαγωγή στο φαινόμενο του κεραυνού. ΣτοΚεφάλαιο 2 δίνεται ένας ορισμός για να περιγραφεί ακριβέστερα το φαινόμενο του κεραυνού και παρουσιάζονται τα διάφορα είδη του. Στο Κεφάλαιο 3 μελετούνται τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός κεραυνού οπότε παρουσιάζονται λεπτομερώς θέματα που έχουν να κάνουν με το ρεύμα, την τάση και το φορτίο που μπορεί να οδηγήσει ένας κεραυνός. Στο Κεφάλαιο 4 μελετούνται οι επιπτώσεις που προκαλούνται από κεραυνούς τόσο στη φύση όσο και στις τεχνικές υποδομές της περιοχής όπου πέφτει ο κεραυνός. Στο Κεφάλαιο 5 εισάγεται ο αναγνώστης στη θεωρία δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας ενώ στο Κεφάλαιο 6 γίνεται εισαγωγή στη θεωρία υπερτάσεων. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται αναλυτικά το μοντέλο προσομοιώσεων που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της εργασίας χρησιμοποιώντας το περιβάλλον προσομοίωσης Matlab/Simulink, παρατίθενται οι μετρήσεις που εξήχθησαν και παρουσιάζονται τα τελικά συμπεράσματα του πρακτικού μέρους της εργασίας. / This thesis examines the phenomenon of lightning and the effectsof this phenomenon in electricity networks. For a better understanding of the various electrical phenomena modeled a three-phase network medium and low voltage so as to extract measurements that reflect the impact of the lightning strike on equipment and network load. Chapter 1 gives a brief introduction to the lightning strike. Chapter 2 gives a definition to describ eaccurately the lightning strike and presents the various types of this. In Chapter 3 we study the electrical characteristics of a lightning strike. Are presented in detail issues that have to do with the current, voltage and the load can lead thunder bolt. In Chapter 4 we study the effects caused by lightning strike in both nature and the technical infrastructure of the area where the lightning falls. Chapter 5 introduces the reader to the theory of electricity networks while Chapter 6 is introduced in the theory over voltages. Chapter 7 presents detailed simulation model developed in this thesis using the simulation environment Matlab / Simulink, given the measurements obtained are presented and the final conclusions of the practical part of the work.

On-line monitoring is an important challenge in future biotechnology applications, for instance in the domain of precision livestock farming, there is need for low-cost intelligent sensors to monitor animal welfare. The common way of observing a living organism is usually done by audio-visual ways performed by a human being, who is present on the scene. This method is, however, subjective, expensive, error prone and time consuming. Instead of performing an animal observation by a human being, automated objective surveillance, by means of low cost intelligent image sensors, can be used. With the use of cheap image sensors and with the help of image analysis techniques, an automated, objective, contact-less monitoring method of the behavior of the living organisms can be provided. Much knowledge has been obtained in the development and use of image analysis algorithms to automatically quantify body features of animals, their activity rate and their behavior. Such an automatic image analysis algorithm is combined with on-line modeling techniques in order to develop an application for the recognition of several behavioral phenotypes of laying hens. The procedure is divided in two phases, where an automatic computer vision algorithm detects the monitoring object from images captured by a video camera, and then another algorithm tracks the detected object through successive frames. Further work is required to integrate these algorithms into low-cost low-energy processing platforms, including embedded systems or even wearable devices. Only then, this important biotechnology development will lead to economically applicable solutions. The challenge of the present thesis especially includes the exploration of ultra-low energy implementation platforms of this biotechnology application. The initial application is developed in the MATLAB environment and is converted to C programming language. Dynamic range and precision analysis are performed to efficiently determine the required fixed-point word-lengths of the application’s variables. Finally, platform-independent and platform-dependent code transformations and integration of the algorithm to different ASIPs (Application Specific Instruction Processors) architectures are applied in order to achieve ultimate low energy consumption. / Η On-line παρακολούθηση αποτελεί μια σημαντική πρόκληση στις μελλοντικές βιοτεχνολογικές εφαρμογές, όπως παραδείγματος χάριν στον τομέα της κτηνοτροφίας, όπου είναι επιτακτική η ανάγκη χρήσης χαμηλού κόστους έξυπνων αισθητήρων στην παρακολούθηση της ευημερίας των ζωντανών οργανισμών. Ο συνήθης τρόπος παρακο-λούθησης ενός ζωντανού οργανισμού συνίσταται στη χρήση οπτικοακουστικών μέσων, τα οποία χειρίζεται ο ανθρώπινος παράγοντας που είναι παρόν. Η μέθοδος αυτή είναι κατά κύριο λόγο υποκειμενική, ακριβή, επιρρεπής σε σφάλματα και επιπροσθέτως χρονοβόρα. Αντ’ αυτού είναι δυνατό να εφαρμοσθεί μια αυτοματοποιημένη αντι-κειμενική επιτήρηση, η οποία λαμβάνει χώρα μέσω χαμηλού κόστους έξυπνων αισθητήρων εικόνας. Η χρήση των αισθητήρων, σε συνδυασμό με τη βοήθεια τεχνικών ανάλυσης εικόνας, παράγει μια αυτόματη αντικειμενική και εξ’ αποστάσεως μέθοδο πα-ρακολούθησης της συμπεριφοράς των ζωντανών οργανισμών. Τα τελευταία χρόνια η τεχνογνωσία στην ανάπτυξη και τη χρήση αλγορίθμων επεξεργασίας εικόνας, οι οποίοι εντοπίζουν αυτόματα τα χαρακτηριστικά των σωμάτων των ζωντανών οργανισμών, το ποσοστό δραστηριότητάς τους, καθώς και την συμπε-ριφορά τους, αναπτύσσεται ραγδαία. Ένας τέτοιος αλγόριθμος συνδυάζεται με on-line τεχνικές μοντελοποίησης αποσκοπώντας στην αναγνώριση διαφόρων φαινοτύπων συ-μπεριφοράς των ορνίθων. Η διαδικασία χωρίζεται σε δύο φάσεις, όπου κατά την πρώτη ένας αλγόριθμος με υπολογιστική όραση ανιχνεύει το αντικέιμενο παρακολούθησης από εικόνες που προέρχονται από μια κάμερα παρακολούθησης, και κατά τη δεύτερη ένας αλγόριθμος εντοπισμού αναλαμβάνει την παρακολούθηση του αντικειμένου σε δια-δοχικές εικόνες. Ακολούθως, είναι επιτακτική η υλοποίηση των αλγορίθμων σε χαμηλού κόστους χαμηλής κατανάλωσης πλατφόρμες επεξεργασίας, οι οποίες μπορούν να περιλαμβάνουν ενσωματωμένα ή ακόμα και ασύρματα συστήματα, ούτως ώστε η σημαντική αυτή βιοτεχνολογική ανάπτυξη να οδηγήσει σε οικονομικά εφικτές λύσεις. Η παρούσα μελέτη ανταπεξέρχεται στην πρόκληση της εξερεύνησης χαμηλής κατανάλωσης υλοποίησεων της βιοτεχνολογικής αυτής εφαρμογής. Η εφαρμογή έχει αναπτυχθεί σε υπολογιστικό περιβάλλον Matlab και εν συνεχεία ακολουθεί η μετάφρασή της σε C προγραμματιστική γλώσσα. Επιπρόσθετα, εφαρ-μόσθηκε δυναμική ανάλυση του εύρους και ανάλυση της ακρίβειας των μεταβλητών, με στόχο τον προσδιορισμό των μηκών των fixed point λέξεων. Εν κατακλείδι, πραγμα-τοποιήθηκαν platform-independent και platform-dependent μετασχηματισμοί της εφαρμογής και υλοποιείται σε διαφορετικές ASIP αρχιτεκτονικές αποσκοπώντας στην επίτευξη χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας.

With commercial processor design tools, a designer can quickly design a C- programmable ASIP for a specific application domain. There are several such ASIPs available for both wireless (UWB baseband processing), encryption, and biomedical processing (particularly for ECG beat detection). In traditional CPUs and DSPs the impact of the instruction-set definition and the complexity of the instruction decoder can be substantial, especially in terms of power consumption. Fully orthogonal VLIW processors, do not incur the cost of an instruction decoder that severely. Instead the instruction word becomes very large, thereby shifting the (power-)cost to the program memory or instruction cache. For the purposes of this thesis a SIMD processor is developed and is compared to a soft-SIMD to observe its area, performance and energy efficiency for a bioimaging benchmark and how the processor description in the ASIP language nML, defines the generated HDL. This SIMD processor is turned into orthogonal and using iterative experiments it is investigated, what is the impact on power while manipulating the instruction-set architecture in combination with the program memory size. It is also investigated how instruction-set re-configuration can be exploited to improve power efficiency. Using this investigation guidelines for low-power ASIP design can be produced. / Με τη σύγχρονη τεχνολογία σχεδιασμού επεξεργαστών, ο σχεδιαστής μπορεί με ευκολία να σχεδιάσει ένα προγραμματιζόμενο Επεξεργαστή Συνόλου Εντολών Ειδικού Σκοπού (ASIP - Application-Specific Instruction-set Processor) για ένα συγκεκριμένο εύρος εφαρμογών. Υπάρχουν διάφοροι τέτοιοι επεξεργαστές διαθέσιμοι για ασύρματες εφαρμογές, κρυπτογράφηση και βιοϊατρικές εφαρμογές (π.χ. στον αλγόριθμο εντοπισμού χτύπου ηλεκτροκαρδιογραφήματος). Στους παραδοσιακούς επεξεργαστές και επεξεργαστές σήματος (DSP - Digital Signal Processor) ο ορισμός του συνόλου εντολών και η πολυπλοκότητα έχουν μεγάλη επίδραση, ειδικά στην κατανάλωση ισχύος. Μία πιθανή λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι οι ορθογώνιοι επεξεργαστές μεγάλου μεγέθους λέξης εντολής (VLIW - Very Large Instruction Word). Με τον όρο ορθογώνιο επεξεργαστή, ορίζεται ένας επεξεργαστής οριζόντιου σύνολου εντολών, άρα ένας επεξεργαστής στον οποίο μπορεί να υπάρξει κάθε διαθέσιμος συνδυασμός μεταξύ των διαθέσιμων εντολών και των μεθόδων διευθυνσιοδότησης για πρόσβαση στη μνήμη και το αρχείο καταχωρητών. Οι ορθογώνιοι επεξεργαστές δεν επιβαρύνουν τόσο τον αποκωδικοποιητή εντολών. Αντί αυτού το μέγεθος της λέξης της εντολής γίνεται πολύ μεγάλο, και έτσι μετατίθεται το ενεργειακό κόστος στην μνήμη εντολών προγράμματος (program memory )ή την κρυφή μνήμη εντολών προγράμματος (instruction cache). Για τους σκοπούς αυτής της διπλωματικής εργασίας, αναπτύχθηκε ένας επεξεργαστής SIMD, ο οποίος συγκρίνεται με έναν soft-SIMD για να μελετηθούν η απαιτούμενη περιοχή στο ενσωματωμένο, επιδόσεις και κατανάλωση ενέργειας για μία βιοϊατρική εφαρμογή, καθώς και το πως η περιγραφή ενός επεξεργαστή στη γλώσσα περιγραφής επεξεργαστών ASIP nML ορίζει την παραγούμενη γλώσσα περιγραφής υλικού (HDL - Hardware Description Language). Ο επεξεργαστής αυτός μετατρέπεται σε ορθογώνιο, και με τη χρήση επαναληπτικών πειραμάτων μελετάται η επίδραση στην κατανάλωση ενέργειας κατά τη διάρκεια αλλαγών στην αρχιτεκτονική του συνόλου εντολών και του μεγέθους της μνήμης εντολών προγράμματος. Ακόμη μελετάται πως μπορεί να εκμεταλλευτεί ο σχεδιαστής την αναδιάρθρωση του συνόλου εντολών για να βελτιώσει την κατανάλωση ενέργειας.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν αρχιτεκτονικές χρονοπρογραμματισμού διεργασιών σε κόμβο ασύρματου δικτύου αισθητήρων, ο οποίος έχει πηγή περιορισμένης και μεταβλητής ισχύος. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από κόμβους που επικοινωνούν και ανταλλάσουν δεδομένα μεταξύ τους. Κάθε κόμβος πρέπει να έχει μεγάλη αυτονομία λειτουργίας και μικρή κατανάλωση ενέργειας. Στην εργασία αυτή προσομοιώθηκε ένα μοντέλο ενός κόμβου με πηγή ενέργειας την ηλιακή ισχύ, καθώς και ένα σύνολο διεργασιών με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά και προθεσμίες εκτέλεσης. Εξετάστηκε η βέλτιστη διαχείριση της ενέργειας για την επιτυχή εκτέλεση των διεργασιών. Αρχικά μελετήθηκαν διάφοροι αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού των διεργασιών του κόμβου (task scheduling), προσομοιώθηκε ένας βέλτιστος αλγόριθμος πραγματικού χρόνου (Lazy Scheduling Algorithm), μελετήθηκε και συγκρίθηκε η συμπεριφορά του. Στο επόμενο στάδιο, σχεδιάσθηκε μία αρχιτεκτονική για τον αλγόριθμο αυτό και υλοποιήθηκε με τη γλώσσα VHDL. Το υλικό, που προέκυψε με διαδικασία σύνθεσης της περιγραφής VHDL, προσομοιώθηκε και διαπιστώθηκε η αποτελεσματικότητα και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας του. Στο τελικό στάδιο βελτιώθηκε η αρχιτεκτονική του υλικού και μειώθηκε ακόμη περισσότερο η κατανάλωση ενέργειας. / -

Οι συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες της σημερινής αγοράς για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές και τηλεπικοινωνιακά συστήματα χαμηλής τάσης τροφοδοσίας και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, καθιστά απαραίτητη τη σχεδίαση ενεργών βαθμίδων οι οποίες θα είναι ικανές να λειτουργήσουν σε ένα περιβάλλον όπου μία απλή τάση τροφοδοσίας μικρότερη ή ίση με 1.5V είναι διαθέσιμη. Έτσι, στην εργασία αυτή θα γίνει μια μελέτη διαφορετικών ενεργών βαθμίδων που δύνανται να λειτουργήσουν στο περιβάλλον αυτό, συγκρίνοντας τις δυνατότητες τους. Η μελέτη αυτή αφορά στις ενεργές βαθμίδες CCII και CFOA, καθώς και σε παραλλαγές τους που αφορούν στη λειτουργία των βαθμίδων αυτών με διαφορική τάση εισόδου (DVCCII και DVCFOA).Απώτερος σκοπός της σύγκρισης των βαθμίδων αυτών, αποτελεί η εφαρμογή τους στη σχεδίαση και υλοποίηση μιγαδικών φίλτρων. Έτσι, έπειτα από μία πλήρη περιγραφή των μιγαδικών φίλτρων ώστε να κατανοηθεί η λειτουργία τους, αλλά και των προβλημάτων που εισάγουν την ανάγκη χρήσης τέτοιων φίλτρων, θα μελετηθεί η χρησιμότητα καθεμιάς από τις παραπάνω ενεργές βαθμίδες στη σχεδίαση μιγαδικών φίλτρων ανώτερης τάξης, τα οποία πληρούν τις προδιαγραφές της εκάστοτε τεχνολογίας. Συγκεκριμένα θα γίνει η σχεδίαση και υλοποίηση ενός μιγαδικού φίλτρου 12ης τάξης ικανού να λειτουργεί (κατ’ επιλογή) τόσο για ένα κανάλι μετάδοσης μέσω του πρωτοκόλλου Bluetooth, όσο και για ένα κανάλι μετάδοσης μέσω του πρωτοκόλλου ZigBee.Τελικό βήμα της εργασίας, αποτελεί η φυσική σχεδίαση του κυκλώματος που θα προκύψει, ώστε να επαληθευτεί η ορθή λειτουργία του σε ένα περισσότερο ρεαλιστικό περιβάλλον. / The ever-increasing needs of today's market for portable electronic devices and telecommunication systems of low voltage and low power consumption, necessitates the design of active building blocks that are likely to operate in an environment where a single supply voltage less than or equal to 1.5V is available. Thus, this work will be a study of different active building blocks that may operate in this environment, comparing their abilities. The study refers to active building blocks CCII and CFOA, as well as variations related to their operation involving differential input voltage (DVCCII and DVCFOA). The ultimate goal of comparing these blocks is their application in the design and implementation of complex filters. Thus, after a full description of complex filters to understand their functioning and the problems that introduce the need to use such filters, the usefulness of each of these blocks will be studied in the design of higher-order complex filters, which meet the specifications of each technology. In particular a 12th order complex filter able to function (optional) for both a transmission channel over Bluetooth Protocol, and a transmission channel over ZigBee Protocol, will be designed and implemented. Final step of the work is the physical layout of the circuit, so as to verify the proper functioning in a more realistic environment.

Αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η σχεδίαση ενός ενισχυτή χαμηλής τάσης τροφοδοσίας για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων σε βηματοδότες. Οι επιταγές της σύγχρονης τεχνολογίας για τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, η χρήση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, η μείωση του κόστους παραγωγής, οι όλο και μικρότερες διαστάσεις των transistors και ταυτόχρονα υψηλές επιδόσεις. Η χρήση όμως της χαμηλής τάσης τροφοδοσίας αποτελεί πρόκληση από σχεδιαστικής άποψης, για την ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης ισχύος χωρίς να υποβαθμίζεται η ποιότητα του σήματος. Αυτό το πρόβλημα λύνουν μέθοδοι όπως η σχεδίαση στο πεδίο του λογαρίθμου. Τα συστήματα στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain systems) αποτελούν υποκατηγορία των συστημάτων συμπίεσης – αποσυμπίεσης (companding systems) και ανήκουν στα ELIN (Externally Linear Internaly Non-linear) συστήματα. Τα πλεονεκτήματα των συστημάτων στο πεδίο του λογαρίθμου είναι η μεγάλη δυναμική περιοχή (Dynamic Range), η δυνατότητα επεξεργασίας μεγάλων σημάτων (large signal), καθώς και η λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τροφοδοσίας. Υλοποιώντας φίλτρα στο πεδίο του λογαρίθμου προσφέρονται ελκυστικά χαρακτηριστικά όπως η ηλεκτρονική ρύθμιση της συχνότητας αποκοπής ή κεντρικής συχνότητας (electronic tuning) και η σχεδίαση χωρίς παθητικές αντιστάσεις (resistorless realization). Η καρδιά είναι ένα περίπλοκο σύστημα το οποίο φροντίζει για την κυκλοφορία του αίματος στο σώμα. Το έναυσμα για την εκκίνηση κάθε καρδιακού κύκλου προέρχεται από ένα ηλεκτρικό σήμα το οποίο ξεκινάει από το φλεβοκόμβο και διαδίδεται στο υπόλοιπο μυοκάρδιο, για να ξεκινήσει ένας νέος καρδιακός κύκλος. Σε ορισμένες περιπτώσεις η καρδιά δεν λειτουργεί σωστά και το ρόλο του φλεβοκόμβου έρχεται να καλύψει το ηλεκτρονικό σύστημα του βηματοδότη, το οποίο ανιχνεύει το καρδιακό σήμα και όταν κριθεί απαραίτητο εφαρμόζει την κατάλληλη θεραπεία με ηλεκτρικές ώσεις. Για την βελτίωση της ποιότητας ζωής ασθενών με καρδιακά προβλήματα ένας βηματοδότης πρέπει να έχει όσο δυνατόν μικρότερο μέγεθος και μεγαλύτερη αυτονομία. Η πρόοδος της τεχνολογίας αποζητά τη σχεδίαση ενός συστήματος ενισχυτή για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων πλέον ικανό να ανταπεξέλθει στη χαμηλή τάση τροφοδοσίας και να έχει μεγάλη αυτονομία λειτουργίας για την εισαγωγή του π.χ. σε ένα βηματοδότη. Το σύστημα που προτείνεται σε αυτή τη Διπλωματική Εργασία έχει ως σκοπό να εκπληρώσει τις ανάγκες αυτές χρησιμοποιώντας κυκλώματα τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας και ταυτόχρονα να μειώνουν την κατανάλωση ισχύος. Η υλοποίηση των κυκλωμάτων μόνο με CMOS transistors στην περιοχή υποκατωφλίου, εκτός του γεγονότος ότι μειώνει το κόστος παραγωγής καθώς δεν χρησιμοποιούνται BJT transistors, προσφέρει λόγω της τεχνικής σχεδίασης στο πεδίο του λογαρίθμου και μεγάλη δυναμική περιοχή. Για την τεχνολογία 0.35μm της AMS επιτυγχάνεται λειτουργία σε περιβάλλον με 0.5V τάση τροφοδοσίας και κατανάλωση ισχύος της τάξης των 2.92nW. Ο ενισχυτής για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων που προτείνεται, περιλαμβάνει ένα ζωνοπερατό φίλτρο σχεδιασμένο στο πεδίο του λογαρίθμου και τα κυκλώματα απόλυτης τιμής, μετατροπής της ενεργής τιμής σήματος σε σταθερό ρεύμα και συγκριτή ρεύματος. / This M.Sc Thesis deals with the design of a low voltage cardiac sense amplifier for pacemakers. The demands of modern technology for integrated circuits are low power consumption, ultra low power supply voltage, reduction of the production cost and high performance. Due to the fact that the use of low power supply voltage is a design challenge, the employment of the Log-Domain filter technique is an attractive solution for realizing high-performance analog processing systems. Log-Domain systems are a sub-category of compading (compressing/expanding) systems and belong to ELIN (Externally Linear Internaly Non-linear) systems. The advantages of Log-Domain systems are large dynamic range, handling of signals with relatively large amplitude, realization in a low-voltage environment, electronic tuning of their frequency characteristics and resistorless realizations. The heart is a complex system that takes care of blood circulation for the whole body. The trigger to commence the cardiac cycle is an electric signal which starts from the sinus node and expands to the rest of the myocardium in order for a new cardiac cycle to set off. In some cases, the heart does not function properly and the role of the sinus node is taken by a pacemaker, who senses the cardiac signal and when it is judged, it cures the problem with an electric pulse. In order to improve the patient’s quality of life a pacemaker has to be small in size and a prolonged battery life. Technological evolution and market demands have led to a demand for a design of a cardiac sense amplifier capable of coping with low power supply voltage and long battery life. The proposed system of this M.Sc thesis is meant to fulfill these needs by using circuits capable of functioning in a low power supply voltage environment as well as reducing power consumption. Implementing those circuits solely with CMOS transistors in the sub -threshold region, not only does it reduce the production cost since no BJT transistors are used but also it offers a large dynamic range due to the design of the circuits. For the AMS 0.35μ CMOS process of by the system functions for a power supply voltage of 0.5V while it dissipates 2.92nW. The proposed cardiac sense amplifier consists of a bandpass Log-Domain filter and circuits like an absolute value circuit, an rms-dc current converter circuit and a current comparator, which were carefully designed in order to follow the demands of modern technology and achieve the goal of low power dissipation.

Τα αναλογικά φίλτρα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain filters) είναι μια οικογένεια φίλτρων συνεχούς χρόνου στην οποία γίνεται χρήση της Ι/V χαρακτηριστικής των ενεργών στοιχείων (BJT τρανζίστορ) για να επιτευχτεί γραμμική συμπεριφορά από είσοδο σε έξοδο. Τα Sinh-Domain φίλτρα συμπίεσης/αποσυμπιέσης προσφέρουν πλεονεκτήματα, όπως την ηλεκτρονική ρύθμιση, τη δυνατότητα λειτουργίας σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας και τη λειτουργία σε υψηλές συχνότητες. Στη παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία προτείνεται μια νέα μέθοδος σχεδίασης Sinh-domain φίλτρων που στηρίζεται στη κυματική μέθοδο. Αρχικά αναπτύσσονται τα κυματικά ισοδύναμα των παθητικών στοιχείων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου χρησιμοποιώντας μια κοινή έως σήμερα λογική σχεδίασης η οποία έχει χρησιμοποιηθεί στη σχεδίαση κυματικών φίλτρων τόσο στο λογαριθμικό πεδίο (Log-Domain) όσο και στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας (Square Root-Domain). Έπειτα γίνεται χρήση των κυματικών ισοδυνάμων που πρόεκυψαν για να σχεδιαστούν ηλεκτρονικά φίλτρα τρίτης τάξης, των οποίων η λειτουργία εξομοιώνεται μέσω του Analog Design Environment του λογισμικού Cadence και με χρήση των μοντέλων των MOS transistor που παρέχονται από την τεχνολογία AMS 0.35μm. Στη συνέχεια προτείνεται μια νέα βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών ισοδυνάμων πρώτης και δεύτερης τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Τα βελτιωμένα κυματικά ισοδύναμα στηρίζονται σε μια νέα λογική σχεδίασης η οποία σκοπεύει στη μείωση των απαιτούμενων ενεργών στοιχείων και ως εκ τούτου στη μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος αλλά και στη προσθήκη της δυνατότητας εξωτερικά ελεγχόμενου προγραμματισμού της ηλεκτρονικής συμπεριφοράς των νέων κυματικών δίθυρων. Ακολουθεί ο σχεδιασμός ηλεκτρονικών φίλτρων χρησιμοποιώντας αυτή τη φορά τη νέα βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών διθύρων και η εξομοίωση της λειτουργίας αυτών με το Analog Design Environment του λογισμικού Cadence. Τέλος πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη μεταξύ φίλτρων που σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας την απλή και τη βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών διθύρων σκοπό να διαπιστωθεί ο βαθμός βελτίωσης που επιτυγχάνεται. / Sinh-Domain companding filters are a family of continuous time filters that instead of being designed using locally linearized components, directly exploit the non-linear nature of a BJT transistor, in forward active region or MOS transistor in weak inversion in order to obtain a system with overall linear performance. This way they, exhibit high linearity even for large signal to bias ratios. In addition, they have some other interesting features like tunability, resistorless realizations and capability of operating under low power supply voltage. In this Master Thesis it is proposed a new method of designing Sinh-Domain filters which is based on the wave method. Initially the wave equivalents of passive components in the Sinh-Domain have been introduced, using the conventional approach as in the case of Log Domain and Square Root Domain filters. As design examples, low pass ,band pass and high pass filters have been designed and their performance have been evaluated using the Analog Design Environment of the Cadence software.MOS and Bipolar transistors models provided by AMS 0.35μm. BiCmos technology have been employed in simulation. Later, it is proposed a new improved version of wave equivalents of first and second order in the Sinh-Domain. This offer the following benefits: a)reduced active element count and hence reduced power consumption and b) capability of externally controlled programming for obtaining all the equivalents from the same core. As design examples, low pass, band pass and high pass filters have been designed and their performance have been evaluated using the Analog Design Environment of the Cadence software As a final step a performance among the proposed filter topologies has been performed in order to be evident the attractive characteristics offered by the proposed wave equivalents.

Τα τελευταία χρόνια γίνονται αρκετές μελέτες πάνω σε συναισθηματικές εκφράσεις προσώπου. Σκοπός τους είναι η μελέτη της αντίδρασης του εγκεφάλου πάνω σε σχετικά ερεθίσματα, κάτι που βρίσκει εφαρμογή σε πολλούς τομείς, όπως οι Νευροεπιστήμες, η Τεχνητή Νοημοσύνη και η Ψυχολογία. Διενεργούνται αρκετά πειράματα, τα οποία βασίζονται σε απεικονίσεις εκφράσεων προσώπου, οι οποίες συνήθως ομαδοποιούνται σε βάσεις δεδομένων με φωτογραφίες εκφράσεων προσώπου. Στην παρούσα Διπλωματική εργασία, γίνεται προσπάθεια αναβάθμισης υπάρχουσας βάσης δεδομένων με φωτογραφίες συναισθηματικών εκφράσεων Ελλήνων. Αρχικά μελετάται το θεωρητικό υπόβαθρο των συναισθημάτων και των συγκινήσεων, καθώς και ο ρόλος τους στην ανθρώπινη συμπεριφορά. Στη συνέχεια δίνεται έμφαση στις βάσεις δεδομένων διαφόρων μελετών πάνω σε φωτογραφίες συναισθηματικών εκφράσεων του προσώπου, όπου και παρουσιάζεται ο τρόπος ανάπτυξης τέτοιων βάσεων. Η συνέχεια περιλαμβάνει την ψηφιακή ανάλυση των φωτογραφιών με τη χρήση λογισμικών πακέτων, δηλαδή τη μορφοποίηση και την ανάλυση χωρικών συχνοτήτων. Στην πρώτη περίπτωση επιλέγονται δύο συγκεκριμένα συναισθήματα και κατασκευάζονται καινούριες ενδιάμεσες (μορφοποιημένες) φωτογραφίες. Στη δεύτερη, εφαρμόζονται φίλτρα ως προς τη χωρική συχνότητα και προκύπτουν φωτογραφίες με χαμηλές και υψηλές χωρικές συχνότητες. Το σύνολο των φωτογραφιών που προκύπτει, αποτελεί τη βάση δεδομένων για το σύστημα διαχείρισης που κατασκευάζουμε. Πρόκειται για ένα πρόγραμμα που διαχειρίζεται ποικιλοτρόπως τη βάση δεδομένων και παρέχει αρκετές ευκολίες στον πειραματιστή στην έρευνά του. Στα πλαίσια του προγράμματος, αξιολογητές προσπαθούν να βρουν τι είδους συναίσθημα απεικονίζεται στις φωτογραφίες που βλέπουν. Η κάθε απάντηση των χρηστών αποθηκεύεται και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για στατιστική επεξεργασία. Απώτερος στόχος είναι να γνωρίζουμε ποιες φωτογραφίες αποτελούν ορθότερη αναπαράσταση για τα συναισθήματα που εν γένει απεικονίζουν, για να αποτελέσουν μια αρκετά αξιόπιστη βάση δεδομένων, η οποία θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πληθώρα πειραμάτων. Με τον τρόπο αυτό, το προτεινόμενο πρόγραμμα της εργασίας συνεισφέρει στη μελέτη του εγκεφάλου. / -