Розрахунок і оптимізація активного елементу

Виходи  кожних двох стовпців підключені до АЦП  з автоматичним калібруванням. АЦП  займає область кристала шириною 15,8 мкм. Всього в мікросхемі 640 АЦП, кожен  з яких обслуговує два сусідні  елементи одного рядка зі швидкістю 200 вибірок / с.

Рисунок 2.15 – Залежність оптимального значення FF від дозволу R для активних елементів різноманітних розмірів(ФПМ=0,4)

Можливість  переривань АЦП забезпечує програмування  характеристик фотоприймальних  НВІС, що в свою чергу дозволяє розширити  їх функціональні можливості. На вході  кожного АЦП включена схема придушення геометричного шуму, що реалізує ДКВ. Кожного разу перед інтегруванням  чергового кадру відбувається настройка  всіх АЦП. Генератор вихідної послідовності  забезпечує мультиплексування 160 біт, а також керування внутрішньою  шиною і 10-біт портами[22].

Одна  з основних проблем прийому зображень  природних сцен - зміна освітленості в дуже широкому динамічному діапазоні. Тому зусилля розробників КМОН-ФД фотоприймачів направлені на збільшення їх динамічного діапазону. Фахівцями  цей параметр КМОН-ФД НВІС форматом 128х128 пікселів розширений до 90 дБ за рахунок  використання локального управління чутливістю при неоднорідній освітленості. Максимальна  частота кадрів фотоприймача - 240 в  секунду.

Як  відомо, динамічний діапазон визначається відношенням максимального сигналу, залежного від зарядової ємності  ФД, до мінімального сигналу, що задається  шумами. Шуми можуть бути знижені за допомогою багаторазової вибірки  сигналу. Цей метод і був використаний у розробленому в Стенфордському університеті приладі з форматом 640х512 пікселів і динамічним діапазоном більше 65000. Особливість приладу - наявність  вбудованого в кожен активний елемент (піксель) АЦП (ПАЦП), завдяки  чому  накопичений в елементі сигнал можна зчитувати в будь-який момент часу. Типовий час зчитування рядка - сотні наносекунд, тобто зіставно з часом зчитування ОЗУ. Іншою  важливою перевагою ПАЦП є - можливість програмування динамічного діапазону  без погіршення відношення сигнал/шум. КМОН-ФД мікросхема виготовлена ​​з 0,35-мкм проектною нормою, чотирьохшаровою  металізацією і одношаровими полікремнієвих затворами[23].

Фотодіод  виконаний у вигляді n-кишені в  підкладці p-типу. На кожен активний елемент доводиться 5,5 транзисторів (22 транзистора на чотири елементи). Фотоприймач розташований на кристалі розміром 6,72х5 мм, який монтується в 180-вивідний корпус. КМОН-ФД має наступні характеристики(табл. 2.2):

Таблиця 2.2 – Характеристики розрахованого КМОН-ФД

Розмір активного елемента(пікселя), мкм	10,5х10,5
Фактор FF, %	29
Напруга живлення, В	3,3
Рівень вихідного сигналу, В	0,5-2,5
Чутливість приладу перетворення, мкВ/ел	4,1
Макс. частота кадрів, кадрів/с	250
Темновий струм, нА/см2	1,65

 

 

 

 

ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз структури та конструктивних особливостей ПЗЗ та КМОН матричних фотоперетворювачів, показані переваги та недоліки кожного з них.

2. Розглянуто принцип дії та основні параметри КМОН матриць. Показано, що КМОН телекамери мають цілий ряд якісно нових функціональних можливостей, не реалізованих не тільки в електронно-променевих приладах, але й в матричних ПЗЗ.

3. Проведено розрахунок активного елементу КМОН-ФД матриці фірми Photobit, який містять понад 10⁶ фоточутливих елементів, з цифровим 8-10 біт виходом і швидкістю виводу більше 300 кадрів / с. Ця матриця виконана з проектною нормою 0,5 мкм, двошаровими полікремнієвими затворами і двохшаровою металізацією.

4. Проаналізовано КМОН-сенсори, показано  як покращувалися такі сенсори  від КМОН-сенсорів з пасивним піксельом до КМОН-сенсорів з активним цифровим піксельом, та переваги останніх сенсорів.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Борисов Ю. И. Отечественная электронная промышленность и компонентная база. Перспективы развития. /Электроника: Наука, технология, бизнес. 2006, №2 (68), с. 6–9.

2. Борисов Ю. И. Первая отечественная система на кристалле с быстро-действующими ЦАП/АЦП 600 Мвыборок/c по двум квадратурным каналам // Электроника: наука, технология, бизнес. 2004. № 2. С. 36–42.

3. Борисов Ю. И., Шабанов Б. М. Одно из направлений развития САПР для создания сложных технических систем // Информационные технологии. 2003. № 10. С. 2–17.

4. Борисов Ю. И. Новый шаг отечественной микроэлектроники//Наука и технологии в промышленности. 2003, №12, с. 3 – 11.

5. Немудров В. Г., Мартин Г. Системы на кристалле. Проблемы проектирования и развития. М.: Техносфера, 2004. – 216 с.

6. Немудров В. Г. «Прогресс» в проектировании отечественных СБИС. Электроника: наука, технология, бизнес. 2002, №6, с. 5 – 9.

7. Умбиталиев А. А., Цыцулин А. К. Основные направления развития телевизионной техники. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2006, №1, с. 3 – 12.

8. Ракович Н. Н. CameraChip: полная видеосистема на кристалле//Компоненты и технологии. 2004, №1, с. 128 – 130.

9. Стемпковский А., Шилин В. КМОП-фотодиодные СБИС. Перспективная элементная база однокристалльных систем приема и обработки информации// Электроника: наука, технология, бизнес. 2003. №2. С. 14 – 20.

10. Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений. Т. 3. Под ред. Б. Кейзана. М. Мир, 1980. – 312 с.

11. Котов Б. А. Матричные преобразователи оптической информации в видимой области спектра/Фотоприёмники и фотопребразователи. Сб. научн. Трудов под ред. Ж.И.Алфёрова и Ю.В.Шмарцева. Л.: Наука, 1986., с. 131–147.

12. E. R. Fossum. «Active pixel sensors – Are CCD's dinosaurs?» Charge-Coupled Devices and Optical Sensors III, Proc. SPIE, vol. 1900, pp. 2–14, 1993.

13. Morton (Z) Scan Based Real-Time Variable Resolution CMOS Image Sensor // E. Artyomov, Y. Rivenson, G. Levi, O. Yadid-Pecht / IEEE transactions on circuits and systems for video technology, V. 15, № 7, pp. 947 – 952.

14. Active-Pixel Image Sensors With Programmable Resolution" (NPO-19510), NASA Tech Briefs, Vol. 20, No. 5, (May 1996), page 26.

15. Nirmaier T, Droste D., Bille J. Hartmann-Shack sensor ASIC’s for real-time adaptive optics in biomedical physics. IIIS Congress on systemics, cybernetics and informatics, v. XIII, Orlando, 2002, p. 1 – 5.

16. Evgeny Artyomov, Orly Yadid-Pecht. Adaptive multiple resolution CMOS active pixel sensor, IEEE ISCAS, Vancouver, BC, Canada, pp. III-786-789, May 2004.

17. Novel CMOS image sensor with a 132-dB dynamic range / D. Stoppa, A. Simoni, L. Gonzo M. Gottardi // IEEE journal of solid-state circuits, vol. 37, N 12, dec 2002, pp 1846–1852.

18. Березин В. В., Фахми Ш. С. Проектирование устройств обработки сигналов на основе технологии «система на кристалле». СПб.: СпбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. – 148 с.

19. Передовая технология компании Pixim. «CCTV Фокус», №4, 2003, с. 12 – 15.

20. Манцветов А. А. Потенциальные характеристики матричных ПЗС. Материалы 59-й конф, Апрель 2004, СПб, 2004.

21. Манцветов А. А., Михайлов В. А., Эйссенгардт Г. А. Характеристики матричных ФППЗ в режиме суммирования.

22. Ramacher U. et al. Single'Chip Video Camera with Multiple Integrated unctions.– IEEE Int. Solid'State Circuit Conference,1999.

     23. Aizava K. et al. On Sensor Image Compression. – IEEE Tran. on Circuit and

          Systems for Video technology , pp. 543 – 548, 1997.       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток А  – Лістинг програми

Рисунок А.1 –  Вікно програми в середовищі MathCad 12.0 для розрахунку параметрів активного елементу матриці