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电源和驱动时序可调整CMOS成像系统的实现
发布时间：
【题　名】电源和驱动时序可调整CMOS成像系统的实现
【作　者】赵志刚 杜杨 黄建衡 郭金川 牛憨笨
【机　构】华中科技大学光电子科学与工程学院 武汉430074 深圳大学光电子研究所光电子器件与系统教育部重点实验室 广东深圳518060
【刊　名】《光电工程》2010年 第6期 119-125页　共7页
【关键词】成像系统 CMOS图像传感器 FPGA ARM 以太网 驱动时序
【文　摘】从电源和驱动时序两方面入手,对影响CMOS图像传感器LUPA-4000成像质量的各种因素进行了分析。在此基础上,设计并实现了一套基于FPGA和ARM的具有参数调整功能的成像系统。LUPA-4000工作中需要调节的7种电源,采用了可调电阻与相应电源芯片相结合的方法进行设计。调整LUPA-4000驱动时序所需的多个参数首先在PC机中进行设置,然后通过基于ARM的以太网传输至FPGA。实测显示,该成像系统操作灵活、可扩展性强,能够对LUPA-4000驱动时序中多种参数进行精确的调整。本文对在实现该成像系统中需要解决的三个主要问题：硬件电路中可调电源的设计、参数的设置与传输方法以及LUPA-4000驱动时序的FPGA实现,都进行了详细的描述。
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CMOS图像传感器的发展-2010|
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CMOS是单词的首字母缩写代表互补的金属氧化物(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)它指的是一种特殊类型的电子集成电路(IC)集成电路是一块微小的硅片它包含有几百万个电子元件术语IC隐含的含义是将多个单独的集成电路集成到一个电路中产生一个十分紧凑的器件在通常的术语中集成电路通常称为芯片而为计算机应用设计的IC称为计算机芯片
虽然制造集成电路的方法有多种但对于数字逻辑电路而言CMOS是主要的方法桌面个人计算机工作站视频游戏以及其它成千上万的其它产品都依赖于CMOS集成电路来完成所需的功能当我们注意到所有的个人计算机都使用专门的CMOS芯片如众所周知的微处理器来获得计算性能时 CMOS IC的重要性就不言而喻了CMOS之所以流行的一些原因为:
·逻辑函数很容易用CMOS电路来实现
·CMOS允许极高的逻辑集成密度其含义就是逻辑电路可以做得非常小可以制造在极小的面积上
·用于制造硅片CMOS芯片的工艺已经是众所周知并且CMOS芯片的制造和销售价格十分合理
这些特征及其它特征都为CMOS成为制造IC的主要工艺提供了基础
CMOS可以作为学习在电子网络中如何实现逻辑功能的工具CMOS它允许我们用简单的概念和模型来构造逻辑电路而理解这些概念只需要基本的电子学概念
CMOS逻辑门电路的系列及主要参数:
1CMOS逻辑门电路的系列
CMOS集成电路诞生于20世纪60年代末经过制造工艺的不断改进在应用的广度上已与TTL平分秋色它的技术参数从总体上说已经达到或接近TTL的水平其中功耗等参数优于CMOS集成电路主要有以下几个系列
1基本的CMOS4000系列
这是早期的CMOS集成逻辑门产品工作电源电压范围为3～18V由于具有功耗低噪声容限大扇出系数大等优点已得到普遍使用缺点是工作速度较低平均传输延迟时间为几十ns最高工作频率小于5MHz
2高速的CMOSHCHCT系列
该系列电路主要从制造工艺上作了改进使其大大提高了工作速度平均传输延迟时间小于10ns最高工作频率可达50MHzHC系列的电源电压范围为2～6VHCT系列的主要特点是与TTL器件电压兼容它的电源电压范围为4.5～5.5V它的输入电压参数为VIHmin=2.0VVILmax=0.8V与TTL完全相同另外74HC/HCT系列与74LS系列的产品只要最后3位数字相同则两种器件的逻辑功能外形尺寸引脚排列顺序也完全相同这样就为以CMOS产品代替TTL产品提供了方便
3先进的CMOSACACT系列
该系列的工作频率得到了进一步的提高同时保持了CMOS超低功耗的特点其中ACT系列与TTL器件电压兼容电源电压范围为4.5～5.5VAC系列的电源电压范围为1.5～5.5VACACT系列的逻辑功能引脚排列顺序等都与同型号的HCHCT系列完全相同
2CMOS逻辑门电路的主要参数
CMOS门电路主要参数的定义同TTL电路下面主要说明CMOS电路主要参数的特点
1输出高电平VOH与输出低电平VOLCMOS门电路VOH的理论值为电源电压VDDVOHmin=0.9VDDVOL的理论值为0VVOLmax=0.01VDD所以CMOS门电路的逻辑摆幅即高低电平之差较大接近电源电压VDD值
2阈值电压Vth从CMOS非门电压传输特性曲线中看出输出高低电平的过渡区很陡阈值电压Vth约为VDD/2
3抗干扰容限CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD开门电平VON为0.55VDD因此其高低电平噪声容限均达0.45VDD其他CMOS门电路的噪声容限一般也大于0.3VDD电源电压VDD越大其抗干扰能力越强
4传输延迟与功耗CMOS电路的功耗很小一般小于1 mW/门但传输延迟较大一般为几十ns/门且与电源电压有关电源电压越高CMOS电路的传输延迟越小功耗越大前面提到74HC高速CMOS系列的工作速度己与TTL系列相当
5扇出系数因CMOS电路有极高的输入阻抗故其扇出系数很大一般额定扇出系数可达50但必须指出的是扇出系数是指驱动CMOS电路的个数若就灌电流负载能力和拉电流负载能力而言CMOS电路远远低于TTL电路
CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后 所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件从发展趋势来看由于制造工艺的改进CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件 CMOS电路的工作速度可与TTL相比较而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL此外几乎所有的超大规模存储器件 以及PLD器件都采用CMOS艺制造且费用较低　早期生产的CMOS门电路为4000系列 随后发展为4000B系列当前与TTL兼容的CMOS　器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用
MOS管主要参数1.开启电压VT
·开启电压又称阈值电压使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压·标准的N沟道MOS管VT约为3～6V·通过工艺上的改进可以使MOS管的VT值降到2～3V
2. 直流输入电阻RGS
·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比
·这一特性有时以流过栅极的栅流表示
·MOS管的RGS可以很容易地超过1010Ω
3. 漏源击穿电压BVDS
·在VGS=0增强型的条件下 在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS
·ID剧增的原因有下列两个方面
1漏极附近耗尽层的雪崩击穿
2漏源极间的穿通击穿
·有些MOS管中其沟道长度较短不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区使沟道长度为零即产生漏源间的穿通穿通后源区中的多数载流子将直接受耗尽层电场的吸引到达漏区产生大的ID
4. 栅源击穿电压BVGS
·在增加栅源电压过程中使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS称为栅源击穿电压BVGS
5. 低频跨导gm
·在VDS为某一固定数值的条件下 漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导
·gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力
·是表征MOS管放大能力的一个重要参数
·一般在十分之几至几mA/V的范围内
6. 导通电阻RON
·导通电阻RON说明了VDS对ID的影响 是漏极特性某一点切线的斜率的倒数
·在饱和区ID几乎不随VDS改变RON的数值很大 一般在几十千欧到几百千欧之间
·由于在数字电路中 MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似
·对一般的MOS管而言RON的数值在几百欧以内
7. 极间电容
·三个电极之间都存在着极间电容栅源电容CGS 栅漏电容CGD和漏源电容CDS
·CGS和CGD约为1～3pF
·CDS约在0.1～1pF之间
8. 低频噪声系数NF
·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的
·由于它的存在就使一个放大器即便在没有信号输人时在输出端也出现不规则的电压或电流变化
·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示它的单位为分贝dB
·这个数值越小代表管子所产生的噪声越小
·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数
·场效应管的噪声系数约为几个分贝它比双极性三极管的要小
新手上路我有疑问投诉建议参考资料 查看CMOS-TDI成像测试系统研究与设计--《天津大学》2012年硕士论文
CMOS-TDI成像测试系统研究与设计
【摘要】：传统的线阵图像传感器只有一维感光像素阵列,以扫描的方式获得二维的图像,一般应用在需要高分辨率的卫星拍摄、医疗成像和工业机器视觉等领域。普通线阵传感器的性能受光照和运动速度的限制,而TDI(Time-Delay Integration,时间延迟积分)图像传感器是一种特殊的线阵图像传感器,通过二维的像素阵列结构,像素传递的信号在与光学扫描的同步下得到了充分的延迟和累加,从而提高了最终的图像信噪比性能,因此可以代替普通线阵传感器,应用在低照度或高速的成像领域。
因为CCD器件可以实现无噪声的电荷累加,TDI技术通常是采用CCD工艺实现的。CMOS工艺具有功耗低、兼容性高、成本低、片上功能电路集成、抗离子辐射和更精简的芯片系统设计等优势,目前CMOS-TDI图像传感器正成为研究热点。CMOS-TDI芯片的开发在国内是一个新领域。CMOS-TDI线阵图像传感器的研发阶段必须有配套的测试系统支持,由于TDI技术多用于军事或航空航天领域,目前国内外对于TDI系统产品的报道不多,也没有针对CMOS-TDI的成像测试系统。本文研究并设计了一种CMOS-TDI成像测试系统的实现方式。
本文重点研究CMOS-TDI成像系统的系统建模与系统设计的关键技术,具体研究了成像系统的电路设计、硬件设计与软件设计几个方面,设计与实现了一种CMOS-TDI线阵成像测试系统,完成了系统验证,实现了改进的数字域的TDI功能。本文中实现的系统可提供一个传感器与场景的相对运动,运动速度能与芯片内部的工作时序互相配合,这是TDI成像的必要条件。得益于灵活的片上可编程系统架构,本系统不仅可用于测试像素形态与工艺参数对成像性能的影响、电路系统功能验证、动态范围、噪声特性等,还可以验证数字图像处理的算法模型与RTL模型,在CMOS-TDI线阵图像传感器的研发过程中发挥了重要作用。
【关键词】：
【学位授予单位】：天津大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TN432;TP212【目录】：
摘要3-4ABSTRACT4-7第一章 绪论7-12 1.1 课题背景7-10
1.1.1 图像传感器与TDI 技术7-9
1.1.2 CMOS-TDI 线阵图像传感器9
1.1.3 CMOS-TDI 研发中面临的问题9-10 1.2 课题主要研究内容10-11 1.3 论文章节安排11-12第二章 成像系统建模12-26 2.1 CMOS-TDI 系统的成像要素12-13 2.2 TDI-CIS 系统的设计参数模型13-23
2.2.1 光学轴与运动轴模型13-14
2.2.2 CIS 曝光与读出时序模型14-17
2.2.3 CIS 运动曝光模型17-19
2.2.4 数字域TDI 算法模型19-23 2.3 TDI-CIS 系统模型仿真23-26第三章 成像系统设计26-38 3.1 成像系统结构26-27 3.2 图像传感器测试电路设计27-29 3.3 外设USB 控制器电路设计29-31 3.4 电机驱动电路设计31 3.5 FPGA 引脚分配31-33 3.6 PCB 布局与机械设计33-38第四章 片上可编程系统的实现38-68 4.1 片上系统结构38-39 4.2 处理器及其总线39-44
4.2.1 MicroBlaze 处理器39-42
4.2.2 LMB 总线42-43
4.2.3 PLB 总线43-44 4.3 多端口存储控制器44-55
4.3.1 DDR2 SDRAM 简介44-48
4.3.2 MPMC 模块48-50
4.3.3 VFBC PIM50-55 4.4 I~2C 总线接口及其实现55-58
4.4.1 I~2C 协议规范55-58
4.4.2 XPS IIC 模块58 4.5 TFT 控制器及其实现58-64
4.5.3 VESA DMT 标准59-60
4.5.4 TFT 控制器结构60-62
4.5.5 工作时序62-64 4.6 TDI 控制器及其实现64-68
4.6.6 TDI 控制器结构64-65
4.6.7 TDI 过程逻辑的设计65-68第五章 系统软件设计68-72 5.1 片上可编程系统软件设计68-69 5.2 外设USB 控制器固件设计69-70 5.3 数据终端软件设计70-72第六章 系统验证与测试72-78 6.1 时序仿真及验证72-75 6.2 软件调试75-76 6.3 系统安装与测试76-78第七章 总结78-79参考文献79-82发表论文和参加科研情况说明82-83致谢83
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