Ηλεκτρονικός θόρυβος σαν υποβοήθεια της νευρομορφικής λειτουργίας ενός τρανζίστορ πεδίου (FET)
Loading...
Date
Authors
Ψυχάρης, Ιωάννης-Δημήτριος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η διπλωματική αυτή πραγματεύεται την ευεργετική χρήση του θορύβου με σκοπό την ενίσχυση ενός ασθενούς περιοδικού σήματος σε ένα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (MOSFET) καθώς και σε ένα νευρομορφικό κύκλωμα. Αυτή η ευεργετική επίδραση που μπορεί κάτω από προϋποθέσεις να έχει ο θόρυβος είναι ένα φαινόμενο που ονομάζεται Stochastic Resonance και περιλαμβάνει εφαρμογές στην πλειονότητα των θετικών επιστημών. Αρχικά παρουσιάζεται η ιστορική αναδρομή και το θεωρητικό κομμάτι του Stochastic Resonance καθώς και το πώς από την θεωρία χημικών αντιδράσεων και τους τύπους του Arrhenius οι επιστήμονές κατέληξαν στα σημερινά μοντέλα περιγραφής του φαινομένου. Βασισμένοι στα μοντέλα αυτά στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μια προσομοίωση στο MATLAB R2020b όπου προσομοιώθηκε το γενικό μοντέλο του φαινόμενου, τοποθετώντας ένα σωματίδιο σε ένα πηγάδι δυναμικού με δυο ευσταθείς καταστάσεις και ένα φράγμα δυναμικού στη μέση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι εφαρμόζοντας ένα περιοδικό σήμα με πλάτος τέτοιο ώστε το σωματίδιο να μην μπορεί να κάνει μετάβαση από το ένα πηγάδι στο άλλο και προσθέτοντας λευκό θόρυβο με τρεις διαφορετικούς τρόπους το σωματίδιο μπορεί να κάνει περιοδικές μεταβάσεις μεταξύ των δυο πηγαδιών όντας συγχρονισμένο με το ασθενές περιοδικό σήμα. Η επιβεβαίωση του φαινομένου ήλθε με την χαρακτηριστική καμπύλη τύπου καμπάνας του SNR, των γραφικών παραστάσεων της θέσης του σωματιδίου στο χρόνο, καθώς και με την κατανομή τη θέσης του σωματιδίου στο χρόνο. Στη συνέχεια δόθηκε ιδιαίτερη αναφορά στο πως θα μπορούσε να επιτευχθεί το φαινόμενο στο ηλεκτρονικό στοιχείο MOSFET τρανζίστορ όπου επιστρατεύοντας την φυσική του τρανζίστορ και τα διαγράμματα ενεργειακών ζωνών στην περιοχή υπό το κατώφλι καταφέραμε να επάγουμε ένα μοντέλο περιγραφής του Stochastic Resonance. Αφού έγινε αναφορά στην ήδη υπάρχων βιβλιογραφία και βρέθηκαν ομοιότητές με την δικιά μας ανάλυση έγινε στο MATLAB προσομοίωση όπου την θέση του σωματιδίου στο ένα πηγάδι περνούν ηλεκτρόνια που βρίσκονται είτε στην πηγή είτε στην υποδοχή και με τη βοήθεια του ασθενούς περιοδικού σήματος και λευκού θορύβου που εφαρμόζονται στην πύλη με το τρανζίστορ να είναι στην περιοχή υπό το κατώφλι βοηθούν την περιοδική μετάβαση των ηλεκτρονίων από την πηγή στην υποδοχή και αντίστροφα. Υστέρα μετά από μια σύντομη αναφορά στην θεωρητική λειτουργία των νευρώνων προσημειώθηκε ένας ηλεκτρονικός νευρώνας στο LTspiceXVII με απώτερο σκοπό την διερεύνηση της ευεργετικής ή μη προσθήκης θορύβου όταν ένα ασθενές σήμα δεν αρκεί για να προκαλέσει την ενεργοποίηση του νευρώνα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι με την προσθήκη εξωτερικού λευκού θορύβου στην πύλη του πρώτου τρανζίστορ του κυκλώματος προσομοίωσης ο νευρώνας πυροδοτεί σε απολυτό συγχρονισμό με το περιοδικό σήμα με τις καμπύλές του SNR και του φάσματος εξόδου που είχαν την μορφή καμπάνας να το επιβεβαιώνουν. Υστέρα και αφού έγινε αναφορά στις δυο θεωρίες για την περιγραφή και εξήγηση του 1/f θορύβου στο MOSFET δείχθηκε ότι ο θόρυβος και με τους τρεις διαφορετικούς τρόπους που προστέθηκε στο κύκλωμα είναι ικανός να προκαλέσει την σε συγχρονισμό με το ασθενές περιοδικό σήμα πυροδότηση του νευρώνα, δηλαδή Stochastic Resonance. Τέλος μετά από διερεύνηση αναφορικά με τον τρόπο που θα μπορούσε να επιτευχθεί Stochastic Resonance με τον ενδογενή θόρυβο της συσκευής διαπιστώθηκε ότι είναι προτιμητέο να χρησιμοποιηθεί 1/f θόρυβος αντί του λευκού θορύβου οποίος μέσα από κατάλληλές τροποποιήσεις σχεδιασμού και φυσικών παραμέτρων μπορεί να έχει τιμή τέτοια ώστε να είναι αρκετή για την επίτευξη Stochastic Resonance.
Description
Keywords
Νευρομορφικό κύκλωμα, Στοχαστικός συντονισμός