The Internet of Things (IoT) is leading the world to the Internet of Everything (IoE), where things, people, intelligent machines, data and processes will be connected together. The key to enter the era of the IoE lies in enormous sensor nodes being deployed in the massively expanding wireless sensor networks (WSNs). By the year of 2025, more than 42 billion IoT devices will be connected to the Internet. While the future IoE will bring priceless advantages for the life of mankind, one challenge limiting the nowadays IoT from further development is the ongoing power demand with the dramatically growing number of the wireless sensor nodes. To address the power consumption issue, this dissertation is motivated to investigate low-power wake-up receivers (WuRXs) which will significantly enhance the sustainability of the WSNs and the environmental awareness of the IoT. Two proof-of-concept low-power WuRXs with focuses on two different application scenarios have been proposed. The first WuRX, implemented in a cost-effective 180-nm CMOS semiconductor technology, operates at 401−406-MHz band. It is a good candidate for application scenarios, where both a high sensitivity and an ultra-low power consumption are in demand. Concrete use cases are, for instance, medical implantable applications or long-range communications in rural areas. This WuRX does not rely on a further assisting semiconductor technology, such as MEMS which is widely used in state-of-the-art WuRXs operating at similar frequencies. Thus, this WuRX is a promising solution to low-power low-cost IoT. The second WuRX, implemented in a 45-nm RFSOI CMOS technology, was researched for short-range communication applications, where high-density conventional IoT devices should be installed. By investigation of the WuRX for operation at higher frequency band from 5.5 GHz to 7.5 GHz, the nowadays ever more over-traffic issues that arise at low frequency bands such as 2.4 GHz can be substantially addressed. A systematic, analytical research route has been carried out in realization of the proposed WuRXs. The thesis begins with a thorough study of state-of-the-art WuRX architectures. By examining pros and cons of these architectures, two novel architectures are proposed for the WuRXs in accordance with their specific use cases. Thereon, key WuRX parameters are systematically analyzed and optimized; the performance of relevant circuits is modeled and simulated extensively. The knowledge gained through these investigations builds up a solid theoretical basis for the ongoing WuRX designs. Thereafter, the two WuRXs have been analytically researched, developed and optimized to achieve their highest performance. Proof-of-concept circuits for both the WuRXs have been fabricated and comprehensively characterized under laboratory conditions. Finally, measurement results have verified the feasibility of the design concept and the feasibility of both the WuRXs.

In ultra-low power Wireless Sensor Networks (WSNs) sensor nodes need to interact, depending on the application, even at a rapid pace while preserving battery life. Wireless communication brings thereby quite the burden as the radio transceiver requires a relative huge amount of power during both transmission or reception phases. In WSNs with on demand communication, the sensor nodes are required to maintain responsiveness and to act the sooner they receive a request, reducing the overall latency of the network. The aspect is more challenging in asynchronous WSN as the receiver possesses no information about the packet arrival time. In a purely on-demand communication, duty-cycling shows little to almost no improvement. The receiving node, in such scheme, is expected to last for years while also being accessible to other peers. Here arises the utility of an external ultra-low power radio receiver known as Wake-up Receiver (WuRx). Its essential task is to remain as the only part of the system running while the rest of the systems enters the lowest power mode (i.e., sleep state). Once a request signal is received, it notifies the host processor and other peripherals for an incoming communication. With the sensor node being in sleep state (WuRx active only), substantial power levels can be achieved. If the WuRx is able to interact rapidly, the added latency remains negligible. As crucial performance figures, the sensitivity and bit rate are immediately affected by the extreme low-power budget at diifferent magnitudes, depending mainly on the incorporated architecture. This thesis focuses on the design of a feature-balanced WuRx. The passive radio frequency architecture (PRF) relies on passive detection while consuming zero power to extract On-Off-Keying (OOK) modulated envelopes. The featured sensitivity, however, is reduced compared to more complex architectures. A WuRx based on PRF architecture can effectively enable short-range applications. The sensitivity can vary with respect to several parameters including the total generated noise, circuit technology and topology. Two variants of the PRF WuRxs are introduced with the baseband amplifier being the main change. The first revision employs a high performance amplifier with reduced average energy consumption, thanks to a novel power gating control. The second variant focuses on employing an ultra-low power baseband amplifier as it is expected to be in a continuous active state. This thesis also brings the necessary analysis on the passive front-end with the intention to enhance the overall WuRx sensitivity. Proof of concepts are embedded in sensor node boards and feature -61 dBm and -64 dBm of sensitivity for the first and the second variant, respectively, at a packet-error-rate (PER) of 1% whilst demanding a similar power of 7.2 µW during packet listening. During packet decoding, the first variant demands a 150 µW of power, caused greatly by the baseband amplifier. The achieved latency is less than 30 ms and the bit rate is 4 kbit/s, Manchester encoding. For long-range applications, a higher sensitivityWuRx is proposed based on Tuned-RF (TRF) architecture. By embedding a low-noise amplifier (LNA) in the receiver chain, very weak radio signal can be detected. TheWuRx emphasizes higher sensitivity of -90 dBm. The design of the LNA prioritized the highest gain and lowest bias current by sacrifcing the linearity that poses little impact on signal integrity for the OOK modulated signals. The total active power consumption of the TRF WuRx is 1.38 mW. In this work, a fast sampling approach based on power gating protocol allows a drastic reduction in energy consumption on average. By being able to sample in matter of few microseconds, the WuRx is able to detect the presence of a packet and return to sleep state right after packet decoding. Being power-gated dropped the average power consumption to 2.8 µW at a packet detection latency of 32 ms for less than 2 s of interval time between communication requests. The proposed solutions are able to decode a minimum length of 16-bit pattern and operate in the license-free ISM band 868 MHz. This thesis also includes the analysis and implementation of low-power front-end building blocks that are employed by the proposed WuRx.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Wake-up Receiver Design Requirements 1.2.1 Energy Consumption 1.2.2 Network Coverage and Robustness 1.2.3 Wake-up Packet Addressing 1.2.4 WuPt Detection Latency 1.2.5 Hosting System, Form-factor and Fabrication Technology 1.3 Thesis Organisation 2 Wireless Sensor Networks 2.1 Radio Communication 2.1.1 Electromagnetic Spectrum 2.1.2 Link Budget Analysis 2.2 Asynchronous Radio Receiver Duty-cycle Control 2.2.1 B-MAC and X-MAC Protocols 2.2.2 Energy and Latency Analysis 2.3 Power Supply Requirements 2.3.1 Low Self-discharge Battery 2.3.2 Energy Harvester 2.4 Summary 3 State-of-the-Art of Wake-up Receivers 3.1 Wake-up Receiver Architectural Analysis 3.1.1 Passive RF Detector 3.1.2 Classical Radio Architectures 3.2 Wake-up Receiver Back-end Stages 3.2.1 Baseband Amplifiers 3.2.2 Analog to Digital Conversion 3.2.3 Wake-up Packet Decoder 3.3 Power Consumption Reduction at Circuit Level 3.3.1 Power Gating 3.3.2 Interference Rejection and Filtering 3.4 Summary 4 Proposal of Novel Wake-up Receivers 4.1 Ultra-low Power On-demand Communication in Wireless Sensor Networks: Challenges and Requirements 4.2 Passive RF Wake-up Receiver 4.3 Power-gated Tuned-RF Wake-up Receiver 5 Low-power RF Front-end 5.1 Narrow-band Low-noise Amplifier (LNA) 5.1.1 Topology 5.1.2 Voltage Gain 5.1.3 Stability 5.1.4 Noise Figure 5.1.5 Linearity 5.2 Envelope Detector 5.2.1 Theory of Square-law Detection and Sensitivity Analysis 5.2.2 Single-Diode Envelope Detector 5.2.3 Voltage Multiplier Envelope Detector 5.3 Hardware Assessment 5.3.1 LNA 5.3.2 Envelope Detector 5.4 Summary 6 Passive RF Wake-up Receiver 6.1 Circuit Implementation 6.1.1 Address Decoder 6.1.2 Envelope Detector 6.1.3 Power-gated Baseband Amplifier 6.1.4 Ultra Low-power Baseband Amplifier 6.2 Experimental Results 6.2.1 Wireless Sensor Node 6.2.2 Measurements 6.3 Summary 7 Power-gated Tuned-RF Wake-up Receiver 7.1 Power-gating Protocol 7.2 Circuit Design 7.2.1 Radio Front-end 7.2.2 Data Slicer 7.2.3 Digital Baseband 7.3 Performance Evaluation 7.4 Summary 8 Conclusion 8.1 Performance Summary 8.2 Future Perspective 8.3 Applications A Two-tone Simulation Setup B Diode Models and Simulation Setup C Preamble Detection C Code Implementation Bibliography Publications / In drahtlosen Sensornetzwerken (WSNs) mit extrem geringem Stromverbrauch müssen Sensorknoten je nach Anwendung kurze Latenzzeiten erreichen ohne die Batterielebensdauer zu beeinträchtigen. Die drahtlose Kommunikation bringt dabei eine ziemliche Belastung mit sich, da der Funktransceiver sowohl während der Sende- als auch der Empfangsphase relativ viel Strom benötigt. Einige marktfähige Funktransceiver benötigen durchschnittlich ca. 10 mA im Empfangsmodus sowie 30 mA im Sendemodus. Deshalb wird heutzutage das sogenannte Duty-Cycling mit bestimmten Sende-, Empfangs- und langen Schlafzeitintervallen eingeführt. Während der Schlafphase ist der Empfänger nicht ansprechbar. Was wiederum zu einer massiven Erhöhung der Latenzzeit führen kann. In vielen Anwendungen und insbesondere im Rahmen der Digitalisierung von Prozessen wird mittlerweile die Fähigkeit On-Demand mit sehr kurzen Latenzzeiten zu kommunizieren verlangt. Diese Anforderung steht in einem Wiederspruch zum genannten Duty-cycle Betrieb. Um dieses Dilemma zu lösen wird im Rahmen dieser Doktorarbeit ein Funkempfänger mit extrem geringen Stromverbrauch untersucht und entwickelt. Mit Hilfe des extrem niedrigen Stromverbrauches kann der Funkempfänger ständig empfangsbereit sein. Er wird zum Hauptempfänger mit dem hohen Stromverbrauch zugeschaltet, so dass nur nach Aufforderung der Hauptempfänger aktiv sein wird. Dieser Empfänger wird Wake-up Empfänger (WuRx) genannt. Seine wesentliche Aufgabe besteht darin, als einziger Teil des Gesamtknotens aktiv zu sein, während der Rest in den Modus mit dem niedrigsten Stromverbrauch versetzt wird. Sobald ein Anforderungssignal empfangen wird, weckt er den Haupt-Prozessor und andere Peripheriegeräte über eine eingehende Kommunikation. Somit ist der Aufweckempfänger essenziell für die Zuverlässigkeit der drahtlosen Kommunikation. Sein Stromverbrauch sollte im µA Bereich sein. Seine Empfangsbereitschaft hängt entscheidend von seiner Empfindlichkeit sowie Bitrate ab. Eine Verbesserung der Empfindlichkeit und Erhöhung der Bitrate würden zwangsläufig zu einer Erhöhung des Stromverbrauches führen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden unterschiedliche Architekturen von Aufweckempfängern untersucht und umgesetzt. Zusammenhänge zwischen Empfindlichkeit, Bitrate und Stromverbrauch wurden analysiert und mögliche Grenzen gezeigt. Ein wesentliches Augenmerk war dabei, Off-the-Shelf Komponenten zu verwenden. Im Rahmen dieser Doktorabeit wurden in Abhängigkeit von der zu erreichenden Reichweite und Häufigkeit der Kommunikation zwei wesentliche Architekturen mit geeigneten Empfindlichkeiten und extrem geringem Stromverbrauch entwickelt. Für kurze Reichweiten wurde eine passive Hochfrequenzarchitektur (PRF Architektur) basierend auf einer passiven Erkennung von OOK-modulierten (On-Off-Keying) Signalen mittels Hüllkurvenbildung entwickelt. Die erreichte Empfindlichkeit von ca. -64 dBm stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik und Forschung mit einer Empfindlichkeit von ca. -52 dBm dar. Die Empfindlichkeit kann in Bezug auf verschiedene Parameter variieren, einschließlich des insgesamt erzeugten Rauschens, der Schaltungstechnologie und der Topologie. Zwei Varianten der PRF WuRxs wurden realisiert, wobei der Basisbandverstärker die Hauptänderung darstellt. Die erste Version verwendet einen Hochleistungsverstärker mit reduziertem durchschnittlichen Energieverbrauch dank einer neuartigen Leistungssteuerung. Die zweite Variante konzentriert sich auf die Verwendung eines Basisbandverstärkers mit extrem geringer Leistung, da erwartet wird, dass er sich in einem kontinuierlichen aktiven Zustand befindet. Diese Arbeit bringt auch die notwendige Analyse des passiven Front-Ends mit der Absicht, die allgemeine WuRx-Empfindlichkeit zu verbessern. Nachweise der Wirksamkeit sind in Sensorknotenmodulen eingebettet und verfügen über -61 dBm und -64 dBm Empfindlichkeit für die erste bzw. die zweite Variante bei einer Paketfehlerrate (PER) von 1 %, während beim Abhören von Paketen eine ähnliche Leistung von 7.2 µW gefordert wird. Während der Paketdecodierung erfordert die erste Variante eine Leistung von 150 µW, die stark durch den Basisbandverstärker verursacht wird. Die erreichte Latenz beträgt weniger als 30 ms und die Bitrate beträgt 4 kbit/s mit einer Manchester-Codierung. Für Anwendungen mit großer Reichweite wird ein WuRx mit höherer Empfindlichkeit vorgeschlagen. Dieser basiert auf einer TunedRF (TRF) -Architektur. Dabei werden sehr schwache Funksignale durch einen rauscharmen Verstärker (LNA) erkannt und verstärkt. Der WuRx erreicht eine bessere Empfindlichkeit von ca. –90 dBm. Dabei wurde das Augenmerk auf die höchste Verstärkung verbunden mit dem niedrigsten Vorspannungsstrom gelegt. Der LNA wird dann im nicht-linearen Bereich betrieben. Dieser Betriebsmodus beeinflusst nur im geringeren Maße die Signalintegrität der OOK-modulierten Signale. Der gesamte Leistungsverbrauch des TRF WuRx beträgt 1.38 mW. Um den Gesamtleistungsverbrauch im µW Bereich zu reduzieren, wird im Rahmen dieser Arbeit das sogenannte Power-Gating-Protokoll eingeführt. Dabei wird das Funkkanal zyklisch abgetastet. Der WuRx kann innerhalb von wenigen Mikrosekunden das Vorhandensein eines Pakets erkennen und direkt nach der Paketdecodierung in den Ruhezustand zurückkehren. Durch diesen Ansatz konnte der durchschnittliche Stromverbrauch bei einer Paketerkennungslatenz von ca. 32 ms innerhalb einer Abtastrate von 2 s auf 2.8 µW reduziert werden. Die vorgeschlagenen Lösungen können eine Mindestlänge von 16-Bit-Mustern decodieren und im lizenzfreien ISM-Band 868 MHz arbeiten.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Wake-up Receiver Design Requirements 1.2.1 Energy Consumption 1.2.2 Network Coverage and Robustness 1.2.3 Wake-up Packet Addressing 1.2.4 WuPt Detection Latency 1.2.5 Hosting System, Form-factor and Fabrication Technology 1.3 Thesis Organisation 2 Wireless Sensor Networks 2.1 Radio Communication 2.1.1 Electromagnetic Spectrum 2.1.2 Link Budget Analysis 2.2 Asynchronous Radio Receiver Duty-cycle Control 2.2.1 B-MAC and X-MAC Protocols 2.2.2 Energy and Latency Analysis 2.3 Power Supply Requirements 2.3.1 Low Self-discharge Battery 2.3.2 Energy Harvester 2.4 Summary 3 State-of-the-Art of Wake-up Receivers 3.1 Wake-up Receiver Architectural Analysis 3.1.1 Passive RF Detector 3.1.2 Classical Radio Architectures 3.2 Wake-up Receiver Back-end Stages 3.2.1 Baseband Amplifiers 3.2.2 Analog to Digital Conversion 3.2.3 Wake-up Packet Decoder 3.3 Power Consumption Reduction at Circuit Level 3.3.1 Power Gating 3.3.2 Interference Rejection and Filtering 3.4 Summary 4 Proposal of Novel Wake-up Receivers 4.1 Ultra-low Power On-demand Communication in Wireless Sensor Networks: Challenges and Requirements 4.2 Passive RF Wake-up Receiver 4.3 Power-gated Tuned-RF Wake-up Receiver 5 Low-power RF Front-end 5.1 Narrow-band Low-noise Amplifier (LNA) 5.1.1 Topology 5.1.2 Voltage Gain 5.1.3 Stability 5.1.4 Noise Figure 5.1.5 Linearity 5.2 Envelope Detector 5.2.1 Theory of Square-law Detection and Sensitivity Analysis 5.2.2 Single-Diode Envelope Detector 5.2.3 Voltage Multiplier Envelope Detector 5.3 Hardware Assessment 5.3.1 LNA 5.3.2 Envelope Detector 5.4 Summary 6 Passive RF Wake-up Receiver 6.1 Circuit Implementation 6.1.1 Address Decoder 6.1.2 Envelope Detector 6.1.3 Power-gated Baseband Amplifier 6.1.4 Ultra Low-power Baseband Amplifier 6.2 Experimental Results 6.2.1 Wireless Sensor Node 6.2.2 Measurements 6.3 Summary 7 Power-gated Tuned-RF Wake-up Receiver 7.1 Power-gating Protocol 7.2 Circuit Design 7.2.1 Radio Front-end 7.2.2 Data Slicer 7.2.3 Digital Baseband 7.3 Performance Evaluation 7.4 Summary 8 Conclusion 8.1 Performance Summary 8.2 Future Perspective 8.3 Applications A Two-tone Simulation Setup B Diode Models and Simulation Setup C Preamble Detection C Code Implementation Bibliography Publications

Die lebenden Organismen sind für eine wissenschaftliche Analyse zu kompliziert, wenn man sie als Ganzes und in ihrer vollen Komplexität betrachtet. Die vorliegende Arbeit behandelt die topologischen Eigenschaften von zwei wichtigen Teilen der lebenden Organismen: die metabolischen und die regulatorischen Systeme. Topolgische Eigenschaften sind solche, die durch die Netwerkstruktur bedingt werden. Ein Signalsystem ist eine spezielle Art von regulatorischem System. Zwischen den metabolischen und Signalnetzen gibt es wichtige Unterschiede, die ihre Behandlung in unterschiedlicher Weise erfordert. In der metabolischen Pfadanalyse ist das Konzept der elementaren Flussmoden bereits als ein passendes Instrument für die Charakterisierung der einfachsten essentiellen Wege in biochemischen Systemen etabliert. Wir untersuchen die Eigenschaften und Vorteile dieses Konzepts in einigen besonderen Fällen. Zuerst untersuchen wir die vielfach vorkommenden Enzyme mit niedriger Spezifität (z.B. Nukleosiddiphosphokinase, Uridinkinase, Transketolase, Transaldolase). Sie können parallel verschiedene Substrate und Produkte umwandeln. Auch die Enzym-Mechanismen sind vielfältig, wie wir mit dem Reaktionsschema für bifunktionelle Enzyme veranschaulichen. Wir betrachten dabei nur den Fall, dass ein bestimmtes aktives Zentrum mehrere Reaktionen katalysiert. Der Fall, dass das studierte Enzym mehrere solche aktiven Zentren hat, kann in den Fall mehrerer Enzyme transformiert werden, die nur ein aktives Zentrum haben. Wenn eine Krankheit das Ausgangsenzym ändert, werden dann in der Analyse auch alle ersetzenden Enzyme geändert. Es gibt zwei unterschiedliche Betrachtungsweisen, um multifunktionelle Enzyme zu beschreiben. Zum einen kann man die Gesamtreaktionen betrachten und zum anderen die elementaren Reaktionsschritte (Hemireaktionen, Halbreaktionen). Für Enzyme mit zwei oder mehr Funktionen ist es wichtig, nur linear unabhängige Funktionen zu betrachten, weil sonst zyklische elementare Moden auftreten würden, die keine Nettoumwandlung durchführen. Jedoch ist die Wahl der linear unabhängigen Funktionen nicht a priori eindeutig. Wir stellen eine Methode für das Treffen dieser Wahl vor, indem wir die konvexe Basis des Hemireaktions-Systems betrachten. Eine formale Anwendung des Algorithmus für das Berechnen der elementaren Flussmoden (Routen) erbringt das Resultat, dass die Zahl solcher Moden manchmal vom Niveau der Beschreibung abhängt, wenn einige Reaktionen reversibel sind und die Produkte der multifunktionellen Enzyme externe Metabolite sind, oder einige multifunktionelle Enzyme zum Teil die gleichen Stoffwechselprodukte umwandeln. Jedoch kann dieses Problem durch eine geeignete Deutung der Definition der elementaren Moden und die korrekte Wahl der unabhängigen Funktionen der Multifunktionsenzyme gelöst werden. Die Analyse wird durch einige kleinere Beispiele und ein größeres biochemisches Beispiel veranschaulicht, das aus dem Nukleotidmetabolismus stammt und die zwei Arten der Beschreibung für Nukleosiddiphosphokinase und Adenylatekinase vergleicht. Der Nukleotidmetabolismus spielt eine wichtige Rolle in lebenden Organismen und ist gegenüber allen möglichen Störungen in seiner internen Balance sehr empfindlich. Gefährliche Krankheiten können auftreten, wenn einige Enzyme nicht richtig funktionieren. Mit Hilfe des Konzeptes des elementaren Flussmodus erklären wir das Auftreten und den Schweregrad von Krankheiten, die auf Enzymdefizienzen basieren. Wenn ein Enzym vollständig gehemmt wird, werden einige metabolische Wege blockiert. Wenn jedoch einige alternative Wege noch bestehen, ist die Krankheit weniger gefährlich. Unsere Analyse ist darauf gerichtet, alternative Wege, wesentliche Enzyme und solche Enzyme, die immer zusammenarbeiten zu finden. Der letzte Begriff ist auch als "Enzyme subset" bekannt und stellt einen intermediären Schritt im Algorithmus zur Berechnung der elementaren Flussmoden dar. Wir diskutieren bereits bekannte und bisher nur hypothetische Mechanismen einiger Krankheiten (proliferative Krankheiten, Immundefizienzen), die auf Störungen des Nukleotidmetabolismus oder seiner Ausbeutung durch Viren und Parasiten beruhen. Die meisten Strategien, die für das Bekämpfen solcher Krankheiten eingesetzt werden, basieren auf der Unterbrechung des Nukleotidmetabolismus an bestimmten Stellen. Diese Strategien können aber auch zur Akkumulation toxischer Stoffe führen und dadurch Nebenwirkungen hervorrufen. Deswegen hilft ein besseres Verständnis dieses Systems, wirkungsvollere Medikamente zu entwickeln, und eine gute strukturelle Analyse kann viele experimentelle Bemühungen ersparen. Konzepte aus der Theorie der Petri-Netze liefern zusätzliche Werkzeuge für das Modellieren metabolischer Netzwerke. In Kapitel 4 werden die ähnlichkeiten zwischen einigen Konzepten in der traditionellen biochemischen Modellierung und analogen Konzepten aus der Petri-Netztheorie besprochen. Zum Beispiel entspricht die stochiometrische Matrix eines metabolischen Netzwerkes der Inzidenzmatrix des Petri-Netzes. Die Flussmoden und die Erhaltungs-Relationen haben die T-Invarianten beziehungsweise P-Invarianten als Gegenstücke. Wir decken die biologische Bedeutung einiger weiterer Begriffe aus der Theorie der Petri-Netze auf, nämlich "traps", "{siphons", "deadlocks" und "Lebendigkeit". Wir konzentrieren uns auf der topologischen Analyse anstatt auf die Analyse des dynamischen Verhaltens. Die geeignete Behandlung der externen Stoffwechselprodukte wird ebenfalls besprochen. Zur Illustration werden einige einfache theoretische Beispiele vorgestellt. Außerdem werden einige Petri-Netze präsentiert, die konkreten biochemischen Netzen entsprechen, um unsere Resultate zu belegen. Zum Beispiel wird die Rolle der Triosephosphatisomerase (TPI) im Metabolismus von Trypanosoma brucei ausgewertet, indem "traps" und "siphons" ermittelt werden. Alle behandelten Eigenschaften von Petri-Netzen werden anhand eines Systems illustriert, das aus dem Nukleotidmetabolismus stammt. Während viele Bemühungen für das Zerlegen metabolischer Systeme, (elementare Flußmoden, extreme Wege) erfolgt sind, sind bisher unseres Wissens keine Versuche in dieser Richtung für Signalübertragungssysteme unternommen worden. Eine spezielle Eigenschaft von Signalnetzwerken in lebenden Zellen ist, dass Aktivierungen, Hemmungen und biochemische Reaktionen normalerweise gleichzeitig anwesend sind. Selbst wenn sie nicht Reaktionen enthalten, machen Mehrfach-Aktivierungen oder Mehrfach-Hemmungen die Netzwerke in hohem Grade verzweigt. Es ist eine schwierige und sehr zeitraubende Aufgabe, alle Faktoren, die einen Einfluss auf ein gegebenes Ziel haben, ohne eine automatische Methode zu ermitteln. Bereits in Kapitel 1 heben wir die ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den metabolischen und Signal-Netzwerken hervor. In Kapitel 5 errichten wir einen Rahmen und präsentieren einen Algorithmus für die Zerlegung von Signalnetzwerken in kleinere Einheiten, die einfacher zu studieren und zu verstehen sind. Zwei Fälle werden untersucht: ein einfacheres, wenn nur monomolekulare Aktivierungen oder Reaktionen anwesend sind, und ein komplizierterer Fall, wenn die Aktivierungen und die Reaktionen multimolekular sein können. Ihre Beschreibung erfordert unterschiedliche Methoden: klassische Graphen bzw. Petrinetze. Wir besprechen die Probleme, die in unserem Modell wegen des Vorhandenseins von Hemmungen oder von unbekannten Effekten im Netz auftreten. Der vorgeschlagene Algorithmus ermittelt die Faktoren, die zusammenwirken und die Zielsubstanzen, die auf dem gleichen Weg beeinflusst werden. Die Zyklen, die im System auftreten, und mögliche fehlende Reaktionen werden ebenfalls ermittelt . Theoretische Beispiele veranschaulichen unsere Resultate. Anhand der T-Zell-Antigen-Rezeptor-Signalkaskade zeigen wir, wie die Methoden in realen Systemen angewendet werden können. / The living organisms are too complex when considering them as a whole. The present thesis deals with the topological properties of two important parts of living organisms: the metabolic and the regulatory systems. The topological properties are those features that are determined by the network structure. A classification in metabolic and regulatory systems is often used. A signalling system is a special kind of regulatory system. Between metabolic and signalling networks, there are important differences that impose their treatment in different ways. In metabolic pathway analysis, the elementary flux mode concept is already established as a proper tool for identifying the smallest essential routes in biochemical systems. We examine its features and advantages in some particular cases. Firstly, many enzymes operate with low specificity (e.g. nucleoside diphosphokinase, uridine kinase, transketolase, transaldolase), so that various substrates and products can be converted. Also the enzymatic mechanisms are diverse, as we have illustrated with reaction schemes for bifunctional enzymes. Therefore, there are two different approaches to describe multifunctional enzymes (We considered only the case when a certain active site hosts several reactions. The case when the studied enzyme has several such active sites can be transformed into that of several enzymes having only one active site. If a disease alters the initial enzyme, also all substituting enzymes are altered.): in terms of overall reactions and in terms of reactions steps (hemi-reactions, half-reactions). For enzymes with two or more functions, it is important to consider only linearly independent functions, because otherwise cyclic elementary modes would occur which do not perform any net transformation. However, the choice of linearly independent functions is not a priori unique. In Chapter 2, we give a method for making this choice unique by considering the convex basis of the hemi-reactions system. The set of linearly independent functions provided by our algorithm coincides, in the case of transketolase in pentose phosphate pathway, with the set of linearly independent functions mentioned in literature. A formal application of the algorithm for computing elementary flux modes (pathways) yields the result that the number of such modes sometimes depends on the level of description if some reactions are reversible and the products of the multifunctional enzymes are external metabolites or some multifunctional enzymes partly share the same metabolites. However, this problem can be solved by appropriate interpretation of the definition of elementary modes and the correct choice of independent functions of multifunctional enzymes. The analysis is illustrated by a biochemical example taken from nucleotide metabolism, comparing the two ways of description for nucleoside diphosphokinase and adenylate kinase, and by several smaller examples. The nucleotide metabolism plays an important role in living organisms and is very sensitive to any perturbations in its internal balance. Dangerous diseases may occur if some enzymes do not work properly. With the help of elementary flux mode concept, we explain the occurrence and severity of diseases based on enzyme deficiencies. If an enzyme is completely inhibited, some metabolic routes are blocked. If, however, some alternative routes still exist, the disease is less dangerous. In Chapter 3, we focus on finding alternative routes, essential enzymes and enzymes operating together. The latter notion is also known as ,,enzyme subset`` and represents an intermediary step in calculating the elementary flux modes. The known or hypothesised mechanisms of several disorders, occurred due to the malfunctioning of nucleotide metabolism (proliferative diseases, immunodeficiency diseases) or due to its hijacking by viruses and parasites, are given. Most strategies adopted for curing such diseases are based on nucleotide metabolism interruption. Therefore, a better understanding of this system helps developing more effective drugs and a good structural analysis can spare many experimental efforts. Petri net concepts provide additional tools for the modelling of metabolic networks. In Chapter 4, the similarities between the counterparts in traditional biochemical modelling and Petri net theory are discussed. For example, the stoichiometry matrix of a metabolic network corresponds to the incidence matrix of the Petri net. The flux modes and conservation relations have the T-invariants, respectively, P-invariants as counterparts. We reveal the biological meaning of some notions specific to the Petri net framework (traps, siphons, deadlocks, liveness). We focus on the topological analysis rather than on the analysis of the dynamic behaviour. The treatment of external metabolites is discussed. Some simple theoretical examples are presented for illustration. Also the Petri nets corresponding to some biochemical networks are built to support our results. For example, the role of triose phosphate isomerase (TPI) in Trypanosoma brucei metabolism is evaluated by detecting siphons and traps. All Petri net properties treated in above-mentioned chapter (4) are exemplified on a system extracted from nucleotide metabolism. While for decomposing metabolic systems, many efforts have been done (elementary flux modes, convex basis, extreme pathways), for signalling maps, as far as we know, no attempt in this direction has been made. A special characteristic of signalling networks is that activations, inhibitions, and biochemical reactions are normally present in parallel. Even if they do not contain reactions, multi-part activations or inhibitions make them highly branched. To detect all factors that have an influence on a given target, without using an automatic method, is a difficult and very time-consuming effort. Already in Chapter 1 (Backgrounds), we highlight the similarities and differences between metabolic and signalling networks. In Chapter 5, we build a framework and algorithm for decomposing signalling networks in smaller units, which are easier to study and understand. Two cases are investigated: a simpler one, when only monomolecular activations or reactions are present, and a more complex case, when the activations and reactions can be multimolecular. Their description requires different instruments: classical graphs and Petri nets, respectively. We discuss the problems that occur in our model due to the presence of some inhibitions or unknown effects in the network. The algorithm that we propose detects the factors that are acting together and the targets that are affected on the same route. The cycles that occur in the system are also highlighted. We point out possible missing reactions. Theoretical examples illustrate out findings. Using the T cell antigen-receptor signalling cascade, we show how it can be applied to real systems.

Solution-processed lead sulfide quantum dots (PbS QDs) are an excellent candidate for photodetector applications because they exhibit broadband absorption, a wide range of tuneable bandgaps, high stability in air, and mechanical flexibility. However, a crucial criterion for the fabrication of high-performance photodetectors is the selection of the ligands, which can facilitate charge carrier transport between the PbS QDs and passivate the surface defects. In this work, the authors have studied the effect of traps on the performance of PbS QD photodetectors that are fabricated using different types of ligands, using intensity-dependent photoresponse dynamics. The best devices with lead halide ligands show a dark current density of 5 × 10−9 A cm−2 at −0.2 V, which is one of the lowest values reported thus far for solution-processed PbS QD-based photodetectors. Moreover, these devices show a high linear dynamic range (≈90 dB) and high detectivity (>1013 Jones), in addition to an f-3 dB of greater than 100 kHz without the application of an external voltage bias at a wavelength of 784 nm. These results suggest that with an appropriate selection of ligands, solution-processed photodetectors with a lower density of traps and a better device performance can be fabricated.

Optimizing a modulator driver for linear and high-speed operation, while simultaneously achieving a high output voltage swing is very challenging. This paper investigates the design of a highlylinear, high-bandwidth yet power-efficient Mach-Zehnder modulator driver based on the breakdown voltage doubler concept, which overcomes the transistors' physical limitations and enables output voltage swings twice as high as conventional differential pair amplifiers can provide. The low-power design was enabled by the use of an open-collector topology for the output stage as well as by employing resistors instead of current mirrors in order to provide the bias currents for the emitter-follower (EF) stages. We show that by means of this EF implementation approach, the power consumption can be reduced by 19% without sacrificing the circuit's bandwidth and linearity. The driver achieves peak-to-peak differential output voltage swings above 6.5 Vpp,d and consumes 670mWof DC power, being one of the most power-efficient drivers in the literature. The 3-dB bandwidth is 61.2 GHz and the total harmonic distortion is 1%, measured at 1 GHz and for the output swing of 6.5 Vpp,d. To the best of the authors' knowledge, these are the highest linearity and output voltage swing reported in the literature for modulator drivers with bandwidths above 40 GHz.