Uusia ratkaisuja kaoottisille värähtelypiireille

Piirin perustana oleva yksinkertainen idea on liittää toisiinsa rengasoskillaattoreita, joiden pituus on yhtä suuri kuin pienimmät parittomat alkuluvut, kuten 3, 5 ja 7. Jopa yksinkertainen summa siniaaltojen välillä tuottaa monimutkaiselta näyttävän signaalin mutta todellisten oskillaattorien väliset vuorovaikutukset johtavat paljon rikkaampaan skenaarioon.

Tokion teknologiainstituutin johtamat tutkijat ovat löytäneet yksinkertaisen, mutta erittäin monipuolisen tavan tuottaa "kaoottisia signaaleja" erilaisilla ominaisuuksilla.

Kaos ei tarkoita satunnaisuutta vaan se on hyvin monimutkainen järjestystyyppi. Kaoottisen järjestelmän parametrien pikkuruisetkin muutokset voivat johtaa hyvin erilaisiin käyttäytymisiin. Kaoottisia signaaleja on vaikea ennustaa, mutta ne ovat läsnä monissa eri skenaarioissa.

Valitettavasti kaoottisten signaalien muodostaminen halutuilla ominaisuuksilla kanssa on vaikea tehtävä. Niiden luominen digitaalisesti on joissakin tapauksissa liikaa tehoa ottava ja analogisiin piireihin perustuvat lähestymistavat ovat välttämättömiä.

Nyt japanilaiset, Italialaiset ja puolalaiset tutkijat ehdottavat uutta lähestymistapaa sellaisten integroitujen piirien luomiseen, jotka voivat tuottaa kaoottisia signaaleja.

Tutkimusryhmä aloitti ajatuksesta, että eri alkulukujen asettamat syklit eivät pysty kehittämään kiinteää vaiheyhteyttä. Yllättävää kyllä, tämä periaate näyttää syntyneen useiden cicadaslajien kehityksessä, joiden elinkaaret seuraavat alkulukuja vuosia, jotta vältetään synkronointi toistensa ja saalistajien kanssa.

Jos esimerkiksi yritetään "sitoa yhteen" oskillaattoreita, joiden jaksot on asetettu kolmelle ensimmäiselle alkuluvulle (3, 5 ja 7), tuloksena olevat signaalit ovat hyvin monimutkaisia ja kaaos voidaan helposti muodostaa (kuva 1).

Integroiduista piireistä löytyy rengasoskillaattoreita, jotka ovat pieniä eivätkä vaadi reaktiivisia komponentteja (kondensaattoreita ja induktoreita). Tällaisia piirejä modifioitiin siten, että rengasoskillaattorien vahvuuksia, joilla on kolme, viisi ja seitsemää astetta voitaisiin ohjata itsenäisesti niiden linkitysten tiukkuuden avulla.

Kehitetty rakenne onnistui muodostamaan kaoottisia signaaleja laajalla taajuusspektrillä, ääni- taajuuksista radiotaajuuteen (1 kHz - 10 MHz). Lisäksi se toimi pienellä tehokulutuksella. Vielä huomattavampi oli havainto, että yksittäisten prototyyppien hieman erilaisista ominaisuuksista riippuen voitaisiin tuottaa täysin erilaisia signaaleja (kuva 2).

Esimerkiksi tutkijat tallensivat piikkien junia, jotka ovat melko samankaltaisia kuin biologisissa neuroneissa. He löysivät myös tilanteita, joissa renkaat "taistelivat toisiaan vastaan" siihen pisteeseen, että ne lähes kokonaan tukahduttavat toimintansa: tätä ilmiötä kutsutaan "värähtelykuolemaksi".

Tiimi uskoo tulevaan kykyynsä olla rakennuspalikka monille eri sovelluksille. Ne pyrkivät integroimaan tämän piirin antureilla esimerkiksi mittaamaan maaperän kemiallisia ominaisuuksia. Se soveltuu esimerkiksi langattomien anturiverkkojen toteuttamiseen.

Aiheesta aiemmin:

Gigahertsigeneraattori mikropiirille

Todella laadukas terahertsigeneraattori