پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری

word
68
2 MB
32262
1393
کارشناسی ارشد
قیمت: ۶,۸۰۰ تومان
دانلود فایل
  • خلاصه
  • فهرست و منابع
  • خلاصه پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری

    پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ­ارشد MS.C

    گرایش:الکترونیک

    چکیده :

          

          در این پایان نامه هدف طراحی و شبیه سازی تقویت کننده مبتنی بر تکنولوژی CMOS با توان مصرفی پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری می باشد.بدین منظور تقویت کننده ای که از مدار ABCC (مدار هوشمند جریان بایاس) بهره میگیرد معرفی شده است.این مدار ولتاژهای ورودی را کنترل میکند سپس جریان بایاس تقویت کننده را به منظور دستیابی به پایداری و توان مصرفی مطلوب و سرعت بالا فراهم می سازد.این مدار با استفاده از نرم افزار Hspice در تکنولوژی های 0.18 um و 90 nm  مبتنی برCMOS  در دو حالت ، همراه و بدون مدارABCC  مورد تحلیل و شبیه سازی قرار گرفته است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد طراحی با تکنولوژی 90 نانو از لحاظ بهره، حاشیه فاز، سرعت پاسخ دهی وتوان مصرفی در مقایسه با تکنولوژی  0.18 um ازکارایی بهتری برخوردار است.هم چنین مشاهده کردیم با حذف مدار ABCC علی رغم افزایش بهره ، پایداری مدار دچار خدشه خواهد شد و سیستم بصورت کاملا ناپایدار عمل می کند.

    هدف

          امروزه هدف اصلی در صنعت VLSI کاهش توان تلفاتی و مصرف انرژی تراشه است.تکنیک های مختلف براساس مدهای ذخیره توان مصرفی،طراحی ساختاروبازسازی مدارها توسعه داده شده اند.سیستمهای کدگذاری متفاوت برای کاهش کار سوییچینگ مدار توسعه داده شده است.هم اکنون صنعت بسوی نانوتکنولوژی درحال حرکت است ، به همین دلیل در این تحقیق سعی شده است تا با استفاده از ترانزیستورهایی در مقیاس نانو و کاهش ولتاژ منبع تغذیه با توجه به تکنولوژی در نظر گرفته شده در هر مرحله ، توان مصرفی را در مدار تا حد امکان کاهش دهیم .

          از جمله چالشهای اساسی و مهم " توان مصرفی" می باشد.هر قدر توان مصرفی تراشه بیشتر باشد زمان بهره برداری از آن کاهش می باید.به عنوان مثال در سنسورهای تصویری مصرف توان پائین به معنی این است که قادر به گرفتن تصاویر در بازه زمانی طولانی تر است.در این مقاله در جهت کاهش توان مصرفی مدارهای مجتمع، مداری با توان مصرفی پایین ارایه و با استفاده از توسط نرم افزار Hspice در تکنولوژی های90 و 180 نانو شبیه سازی شده و مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است.که این شبیه سازیها، حاکی از کاهش قابل توجه توان مصرفی نسبت به روشهای دیگر است.

          ساختار این پایان نامه بدین ترتیب سازماندهی شده است. در فصل اول سنسورهای تصویر و توان مصرفی آنها موردمطالعه قرار گرفته است.در فصل دوم درباره اهمیت کاهش توان مصرفی در مدارات بحث می شود.در فصل سوم پیشینه تکنولوژی های طراحی شده برای کاهش توان مصرفی در مدارات مجتمع ارائه شده است.در فصل چهام مدار تقویت کننده ارائه شده و با استفاده از شبیه سازی در برنامه Hspice مورد تحلیل قرار می گیرد.در فصل آخر نتایج حاصل از شبیه سازی مدار در تکنولوژی های مورد بررسی با هم مقایسه می شوند.

     

     

    فصل اول – آشنایی با سنسور های تصویر و توان مصرفی آنها

     

    مقدمه

    دوربین دیجیتال یک دستگاه الکترونیکی است که برای گرفتن عکس و ذخیره آن به جای فیلم عکاسی از حسگرهای حساس به نور معمولاً از نوع CCD یا CMOS استفاده می‌کند و تصویر گرفته شده توسط سنسور طی چند مرحله به حافظه دوربین برای استفاده فرستاده می‌شود. در دوربین دیجیتال، تصویربرداری بر روی فیلم صورت نمی‌گیرد بلکه توسط یک حسگر حساس (CCD یا CMOS) انجام می‌پذیرد. از لحاظ عملکرد ، دوربین‌های دیجیتال بسیار شبیه به دوربین‌های عکاسی دارای فیلم یا غیر دیجیتال می‌باشند. این دوربینها همانند دوربین‌های معمولی دارای یک منظره یاب، لنز برای کانونی کردن تصویر بر روی یک وسیله حساس به نور، وسیله‌ای برای نگهداری و انتقال چند تصویر گرفته شده در دوربین و یک محفظه شامل تمام این تجهیزات می‌باشد. در یک دوربین معمولی فیلم حساس به نور تصویر را ذخیره می‌سازد و بعد از عملیات شیمیایی برای نگهداری تصویر از آن استفاده می‌شود. در حالی که در دوربین دیجیتال این کار با استفاده از ترکیبی از فناوری پیشرفته سنسور تصویر و ذخیره آن در حافظه انجام می‌گیرد و اجازه می‌دهد که تصاویر در شکل دیجیتال ذخیره شوند و به سرعت بدون نیاز به عملیات خاصی (نظیر عملیات شیمیایی بر روی فیلم) در دسترس باشند.

     

     

    به عنوان نمونه میتوان کپسول آندوسکوپی که از یک دوربین بی سیم کوچک و قابل بلع برای تصویربرداری بدون درد از روده باریک طراحی شده است،نام برد. کپسول تنها 11 میلیمتر در 26 میلیمتر اندازه دارد و شامل دوربین، منبع نور، رادیوترانسمیتر و باتری است. بیمار به راحتی می تواند آن را ببلعد و دوربین کپسول می تواند حدود 2 تصویر در هر ثانیه و در حین عبور از مجرای گوارشی بگیرد.

    یکی از مهم ترین چالشها در این تکنولوژی " کاهش توان مصرفی مدار" می باشد. چراکه این امر سبب افزایش زمان بهره برداری خواهد شد.راههای گوناگونی از جمله طراحی تقویت کننده های عملیاتی با توان مصرفی کم صورت گرفته است.در این تحقیق مدار تقویت کننده ای ارایه شده که با استفاده از آن    می توان به مقدار قابل توجهی میزان توان مصرفی را کاهش داد.

    در ادامه با سنسورهای تصویری و هم چنین عملکرد آنها آشنا شده و خصوصیات آنها را با هم مقایسه خواهیم کرد.

     

     

    1-1) سنسور تصویربرداری و کاربرد آنها در زمینه نانو دوربین های پزشکی

         یک سنسور تصویربرداری وسیله ایست که به نور حساس است و سیگنال های نوری را به سیگنال های دیجیتال ( اطلاعات RGB ) تبدیل میکند. دو نوع متداول از این سنسورها CCD و CMOS هستند و معمولا در دوربین های دیجیتال و سایر دستگاه های تصویر برداری استفاده میشوند. کاربردهای سنسور تصویر برداری محدود به دوربین های دیجیتال نمیشود و سنسورهای تصویربرداری در زمینه های دیگری نظیر موارد ذیل استفاده میشوند :

    فضانوردی و صنایع مربوط به آن مثل تلسکوپ فضایی هابل

    ماشین های بینایی

    طیف سنجی نورهای ماوراء بنفش

         هر دو نوع سنسور CCD و CMOS با استفاده از مدار تشخیص نور کار میکنند که به نور واکنش نشان میدهند واین سیگنال های آنالوگ را بعنوان اطلاعات دیجیتال عکس ذخیره میکنند که البته هر کدام به روش متفاوتی برای دستیابی به این هدف عمل میکنند.

     

    1-2 ) آشنائی با Charge-Coupled Devices) CCD)

         هر CCD از میلیونها سلول بنام فتوسایت یا فتودیود تشکیل شده است. این نقاط در واقع سنسورهای حساس به نوری هستند که اطلاعات نوری را به یک شارژ الکتریکی تبدیل می‌نمایند. وقتی اجزای نور که فتون نامیده می شود وارد بدنه سیلیکون فتوسایت می شود، انرژی کافی برای آزادسازی الکترونهایی که با بار منفی شارژ شده اند ایجاد می‌ گردد. هر چه نور بیشتری وارد فتوسایت شود، الکترونهای بیشتری آزاد می شود. هر فتوسایت دارای یک اتصال الکتریکی می باشد که وقتی ولتاژی به آن اعمال می شود، سیلیکون زیر آن پذیرای الکترونهای آزاد شده می شود و همانند یک خازن برای آن عمل می کند. بنابر این هر فتوسایت دارای یک شارژ ویژه خود می باشد که هر چه بیشتر باشد، پیکسل روشنتری را ایجاد می کند.

           مرحله بعدی در این فرآیند بازخوانی و ثبت اطلاعات موجود در این نقاط است. وقتی که شارژ به این نقاط وارد و خارج می شود، اطلاعات درون آنها حذف می شود و از آنجایی که شارژ هر ردیف با ردیف دیگر کوپل می شود، مثل اینست که اطلاعات هر ردیف پشت ردیف قبلی چیده شود. سپس سیگنال ها در حد امکان بدون نویز وارد تقویت کننده شده و سپس وارد ADC می شوند.

    فتوسایت های روی یک CCD فقط به نور حساسیت نشان می دهند، نه به رنگ. رنگ با استفاده از فیلترهای قرمز ، سبز و آبی که روی هر پیکسل گذارده شده است شناسایی می شود. برای اینکه CCD با چشم انسان سازگاری داشته باشد،نسبت فیلترهای سبز دو برابر فیلترهای قرمز و آبی است. این بخاطر اینست که چشم انسان به رنگهای زرد و سبز حساس تر است. چون هر پیکسل تنها یک رنگ را شناسایی می کند، رنگ واقعی  با استفاده از متوسط گیری شدت نور اطراف پیکسل که به میانگین رنگ مشهور است، ایجاد می شود.

     

        

    Abstract

     

          This thesis presents an ultra-low power CMOS amplifier for image sensor application  using a simple and novel adaptive biasing current circuit (ABCC). The circuit uses a nano-ampere current source to achieve nano-watt power dissipation and the adaptive biasing technique to achieve high speed operation.

          This circuit is simulated with Hspice software in 0.18 um and 90 nm tecnology. Measurement results demonstrated that the circuit can operate with ultra-low power with high speed.The circuit has better performane in 90 nm tecnically such as gain,phase margin and slew rate.But it has lower power dissipation in 0.18 um rather than 90 nm tecnology.By omission the ABCC block from this ap-amp shows that the circuit does not work properly and its performance are not stable and the SR factor decrese so much

  • فهرست و منابع پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری

    فهرست:

    چکیده ........................................................................................................................................................... 1

    هدف ............................................................................................................................................................  2

    فصل اول – مقدمه: آشنایی با سنسورهای تصویر و توان مصرفی آنها........................................................... 3

    1-1) سنسور تصویربرداری و کاربرد آنها در زمینه نانو دوربین های پزشکی................................................ 5

    1-2) آشنائی با Charge-Coupled Devices) CCD).......................................................................... 5

    1- 3) آشنائی با (Complementary Metal Oxide Semiconducter) CMOS........................... 7

    1-4) ساختار سنسورهایCCD  و CMOS............................................................................................... 8

    1- 5) مزایا و معایب و مقایسه کلی CCD وCMOS................................................................................11

    فصل دوم – اهمیت کاهش توان مصرفی.......................................................................................................12

    2-1) توان مصرفی........................................................................................................................................12

    2-2) بهینه سازی مصرف توان......................................................................................................................13

    2-3) انتخاب روش های مختلف برای افزایش بهره وری............................................................................15

    فصل سوم- پیشینه تکنولوژی های طراحی شده برای کاهش توان مصرفی در مدارات مجتمع....................17

    3-1) تقویت کننده عملیاتی...........................................................................................................................17

    3-2) اهمیت توان در مدارات مجتمع............................................................................................................19

    3-3) مصرف توان در مدارات الکترونیکی....................................................................................................19

    3-4) تکنیک های کاهش توان مصرفی.........................................................................................................20

    3-5) طراحی مدارات VLSI با توان مصرفی پایین.....................................................................................21

    3-6) تکنولوژی های کاهش توان مصرفی مدارات مجتمع...........................................................................22

    ...................................................................................................................22Adiabatic Circuits3-6-1)

    ..............................................................................................................................23Short Circuit3-6-2)

    .................................................................................................................24 Reducing Glitches3-6-3)

    ............................................................................26Standby Mode Leakage Suppression3-6-4)

    ...................................................................................................26Multi-Threshold Circut3-6-4-1)

    ....................................................................................................27Variable Body Biasing3-6-4-2)

    .....................................................................................................................28Sleep Transistors3-6-5)

    .............................................................................29Dynamic Threshold MOS(DTMOS)3-6-6)

    ....................................................................................30Short Circuit Power Suppression3-6-7)

    فصل چهارم – ارائه و شبیه سازی مدار پیشنهادی.........................................................................................32

    4-1) اجزای مدار..........................................................................................................................................33

    4-2) شماتیک مدار.......................................................................................................................................34

    ...............................................................................................................................................35ABCC4-3)

    4-3-1) مدار نظارت بر جریان.....................................................................................................................35

    4-3-2) مدار مقایسه جریان..........................................................................................................................36

    4-3-3) مدار تقویت جریان..........................................................................................................................37

    4-4 ) مقیاس های اندازه گیری مدار.............................................................................................................41

    سرعت تغییرات خروجی (Slew Rate)......................................................................................41

    4-4-2)بهره تقویت کننده.............................................................................................................................42

    4-4-3) حاشیه فاز........................................................................................................................................43

    4-5) شبیه سازی و تحلیل مدار تقویت کننده همراه بلوک ABCC ..........................................................45

    SR  مدار ............................................................................................................................................48     

    4-7) اثر تغییرات خازنCL ..........................................................................................................................48

    4- 8) مقادیر حاشیه فاز و بهره مدار.............................................................................................................49

    -9) شبیه سازی و تحلیل مدار تقویت کننده بدون بلوک   ABCC ........................................................51

    نتیجه گیری....................................................................................................................................................57

    پیوست ها......................................................................................................................................................58

    ب-1 نت لیست مربوط به مدار تقویت کننده با بلوک ABCC در تکنولوژی 180 نانو..............................58

    ب-2 نت لیست مربوط به مدار تقویت کننده با بلوک ABCC در تکنولوژی 90 نانو................................61

    ب-3 نت لیست مربوط به مدار تقویت کننده بدون بلوک ABCC در تکنولوژی 180 نانو........................63

    ب-4 نت لیست مربوط به مدار تقویت کننده بدون بلوک ABCC در تکنولوژی 90 نانو..........................68

    فهرست منابع.................................................................................................................................................70   

    چکیده انگلیسی.............................................................................................................................................71

    صفحه عنوان به انگلیسی...............................................................................................................................

     

    منبع:

     

    [1] Tsuruya.Y, Hirose.T,Osaki.Y,Kuroki.T,Numa.M,Kobayashi.O,"A Nano-Watt                     Power CMOS Amplifier with Adaptive Biasing for Power-Aware Analog LSIs, IEEEو2012.

     

    [2] M. Degrauwe, et al., “Adaptive biasing CMOS amplifiers,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 17, pp. 522-528, 1982.

     

    [3] K. Ueno, et al., “A 300-nW, 15-ppm/°C, 20-ppm/V CMOS voltage reference circuit consisting of subthreshold MOSFETs,” IEEE Jounal of Solid-State Circuits, vol. 44, no.7, pp. 2047-2054, 2009.

     

    [4] T. Hirose, et al., “A nano-ampere current reference circuit and its temperature dependence control by using temperature characteristics of carrier mobilities,” Proceedings of the 36th European Solid-State Circuits Conference, pp. 114-117, 2010.

     

    [5] T. Hirose, et al., “A CMOS bandgap and sub-bandgap voltage reference circuits for nanowatt power LSIs,” IEEE Asian Solid-State Circuits Conference, pp. 77-80, 2010.

     

    [6] M.-T. Chung and C.-C. Hsieh, “A 0.5V 4.95μW 11.8fps PWM CMOS Imager with 82dB Dynamic Range and 0.055% Fixed-Pattern Noise,“ ISSCC Dig Tech. Papers, pp. 114-114, Feb. 2012.

    [7] S. Chen, W. Tang, X. Zhang, and E. Culurciello, “A 64×64 Pixels UWB Wireless Temporal-Difference Digital Image Sensor,” IEEE Trans. VLSI, vol. 20, no. 12, pp. 2232-2240, Dec. 2012.

    [8] U. Mallik, M. Clapp, G. Cauwenberghs, and R. Etienne-Cummings, “Temporal Change Threshold Detection Imager,” ISSCC Dig Tech. Papers, pp. 362-363, Feb. 2005.

    [9] N. Massari, M. Gottardi, and S. Jawed, “A 100μW 64×128-Pixel Contrast- Based Asynchronous Binary Vision Sensor for Wireless Sensor Networks,” ISSCC Dig Tech. Papers, pp. 588-589, 638, Feb. 2008.

    [10] N. Dalal and B. Triggs, “Histogram of Oriented Gradients for Human Detection,” CVPR Dig Tech. Papers, pp. 886-893, June 2005



تحقیق در مورد پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, مقاله در مورد پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, پروپوزال در مورد پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, تز دکترا در مورد پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, تحقیقات دانشجویی درباره پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, مقالات دانشجویی درباره پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, پروژه درباره پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, گزارش سمینار در مورد پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, تحقیق دانش آموزی در مورد پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, مقاله دانش آموزی در مورد پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری, رساله دکترا در مورد پایان نامه طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسور های تصویری

ثبت سفارش
تعداد
عنوان محصول
بانک دانلود پایان نامه رسا تسیس