A high speed analog column readout architecture supporting xga resolution uncooled thermal imagers
Xga çözünürlüklü soğutmasız termal görüntüleme cihazlarını destekleyen yüksek hızlı analog sütun okuma mimarisi
- Tez No: 1001742
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Mikrobolometre, Microbolometer
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, uzun dalga boylu kızılötesi termal görüntüleme için büyük formatlı soğutmasız dirençli mikrobolometre odak düzlemi dizileri için tasarlanmış CMOS okuma entegre devreleri için yüksek hızlı piksel ve sütun yapısının tasarımını sunmaktadır. ROIC alt sistemleri, Sabit Akım Tamponlu Doğrudan Enjeksiyon topolojisine dayalı yeni bir sütun paralel yapısı ile uygulanmıştır. Yeni mimari, referans pikselleri kullanmaz ve geleneksel büyük paralel okuma yapılarının hız ve dizi boyutu sınırlamalarının üstesinden gelirken, piksel başına düşük güç tüketimi sağlar. Tasarlanan sistem, piksel aralıklarının 0.18 um CMOS üretim düğümünde bile 8 um veya altına ölçeklendirilebildiği 1024 x 768 çözünürlüğü (Genişletilmiş Grafik Dizisi) destekler. ROIC alt sistemleri, XGA çözünürlüğünde saniyede 240 kare okuma yeteneği elde etmek için gelişmiş özellikler sunmaktadır. Devrenin önemli özelliklerinden biri, sinyalin hızlı bir şekilde yerleşmesini sağlayan sütun piksel ağacı çoklayıcı mantık yapısının uygulanma şeklidir. Çoklayıcı mantık, 4 seri MOSFET anahtarı kullanır ve üzerlerindeki voltaj düşüşü, özel düşük anahtarlama direnci yapısı ile azaltılır. Bu MOSFET anahtarlarından biri, kapalıyken çoklayıcı anahtar yapısının bir parçası, açıkken ise piksel direnci biası için kaskot bias akım aynasının bir parçası olarak işlev görür; bu da piksel eleman sayısını ve boyutunu azaltmaya olanak tanır. Bu MOSFET, piksel bias akım aynalama doğruluğunu artırmak ve hatayı 30 pA'nın altına düşürmek için 75 dB açık döngü kazancına sahip tek kademeli evirici tabanlı bir işlemsel kuvvetlendirici tarafından sürülür. Daha yüksek doğruluk, 34 ppm/C sıcaklık katsayısı ve 55 dB güç kaynağı reddi sergileyen, en kötü durum koşullarında yalnızca %0.74 varyasyon gösteren özel tasarlanmış bir referans devresiyle akım aynalarının önbeslemesiyle elde edilir. Yeni piksel ve sütun mimarisi, sütun tabanlı analog dijital dönüştürücüler için uygundur. Mimari, yüksek kare hızlarını düşük güç tüketimiyle birleştirmenin uygulanabilirliğini gösterirken, mimari tasarımı işlemden bağımsızdır ve işlem, voltaj ve sıcaklık köşelerini kapsayan kapsamlı simülasyonlarla doğrulandığı gibi çeşitli CMOS işlem düğümlerine uyarlanabilir. Sistem seviyesi gürültü analizi, 240 fps çalışma hızında 0.5 K'lık hesaplanmış bir gürültü eşdeğer sıcaklık farkı verir. NETD değeri, tasarımı yüksek hızlı içten yanmalı motor gözlemleme ve hedef takibi gibi özel uygulamalar için konumlandırır. Önerilen sistem, piksel başına yaklaşık 40 nW güç tüketimi sağlayarak, 1024 x 768 odak düzlemi dizisi (FPA) çözünürlüğü için literatürdeki karşılaştırılabilir dirençli mikrobolometre mimarilerine kıyasla önemli ölçüde daha düşük bir değer elde etmekte ve gelecekteki sistemlerde 2048 x 2048 çözünürlüğe kadar ölçeklenebilirlik olanağı sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the design of a high-speed pixel and column structure for CMOS readout integrated circuits (ROICs) designed for large format uncooled resistive microbolometer focal plane arrays (FPAs) for long wavelength infrared (LWIR) thermal imaging. The ROIC subsystems are implemented with a novel column parallel structure that is based on the Constant Current Buffered Direct Injection (CCBDI) topology. The new architecture does not use reference pixels and overcomes the speed and array size limitations of conventional massive parallel readout structures, while enabling a low power consumption per pixel. The designed system supports a 1024 × 768 resolution (Extended Graphics Array, XGA), where pixel pitches can be scaled down to 8µm or below even in a 0.18µm CMOS process node. The ROIC subsystems offer advanced features to achieve a 240 frames per second (FPS) readout capability at the XGA resolution. One of the important features of the circuit is the way of implementing the column to pixel tree multiplexing logic structure that allows fast settling of the signal. The multiplexing logic uses 4 serial MOSFET switches, and the voltage drop on them are reduced with special low switch on resistance structure. One of these MOSFET switches acts a part of multiplexer switch structure when it is off, yet a part of cascoded bias current mirror for pixel resistance bias when it is on, allowing to reduce the pixel components and pitch size. This MOSFET is driven by a single stage inverter based operational amplifier with a 75 dB open loop gain to increase the pixel bias current mirroring accuracy, reducing the error below 30 pA. Further accuracy is obtained by biasing current mirrors with a custom designed reference circuit exhibiting a −34 ppm/◦C temperature coefficient and 55 dB power supply rejection while showing only 0.74% variation under worst case conditions. The new pixel and column architecture is suitable for column based analog-to-digital converters (ADCs). The architecture demonstrates the feasibility of combining high frame rates with low power consumption, while the architecture design is process independent and is adaptable to various CMOS process nodes, as validated by extensive simulations that cover process, voltage, and temperature corners. The system level noise analysis yields a calculated noise equivalent temperature difference (NETD) of 0.5 ◦K at 240 fps operation. The NETD value positions the design for specialized applications such as high-speed combustion engine monitoring and target tracking. The proposed system achieves approximately 40 nW power consumption per pixel which is significantly lower than comparable resistive microbolometer architectures in the literature for a 1024 × 768 focal plane array (FPA) resolution, enabling scalability to a 2048 × 2048 resolution in future systems.
Benzer Tezler
- Design and implementation of a single slope ADC for digital output cooled infrared readout integrated circuits
Sayısal çıkışlı soğutmalı kızılötesi dedektör okuma devreleri için tek rampalı analog sayısal çevirici tasarımı
FATİH AKYÜREK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BARIŞ BAYRAM
- Column parallel incremental zoom adc for uncooled imaging applications
Soğutmasız görüntüleme sistemleri için kolon paralel artımlı zoom analog-sayısal çevirici
AYCAN BEYENİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Yüksek çözünürlüklü, direnç dizesi tipli sayısaldan analoğa dönüştürücülerde dinamik hata mekanizmalarının incelenmesi
Investigating dynamic error mechanisms of high resolution resistor string D/A converters
EMRE TOPÇU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TÜRKER KÜYEL
- İnsansız hava aracı için bir borda bilgisayarının mimarisi ve tasarımı
Başlık çevirisi yok
SAİT N. YURT
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiY.DOÇ.DR. T. BERAT KARYOT
- Dinamik algılayıcı öğrenme algoritması ile kenar saptamanın öğrenilmesi
Learning of edge detection using recurrent perceptron learning algorithm
FİLİZ YOSMA TAŞKIN
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. CÜNEYT GÜZELİŞ