طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسورهای تصویری :پایان نامه ارشد مهندسی برق

پایان نامه ای که به شما همراهان صمیمی فروشگاه دیجی لود معرفی میگردد از سری پایان نامه های جدید رشته  مهندسی برق و با عنوان طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسورهای تصویری در 82 صفحه با فرمت Word (قابل ویرایش) در مقطع کارشناسی ارشد تهیه و نگارش شده است. امیدواریم مورد توجه کاربران سایت و دانشجویان عزیز مقاطع تحصیلات تکمیلی رشته های جذاب مهندسی برق قرار گیرد.

چکیده طراحی و شبیه سازی تقویت کننده با توان پایین برای کاربرد در سنسورهای تصویری:

در این پایان نامه هدف طراحی و شبیه سازی تقویت کننده مبتنی بر تکنولوژی CMOSبا توان مصرفی پایین برای کاربرد در سنسورهای 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 Hspiceدر تکنولوژی های 0.18 um و 90 nm  مبتنی برCMOS  در دو حالت ، همراهو 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 مصرفیدر مقایسه با تکنولوژی  0.18 umازکارایی بهتریبرخوردار 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.

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 مقایسهخواهیم کرد.

سنسور تصویربرداریو 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.

آشنائی باCharge-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 واقعیبا استفاده از متوسط گیری شدت نور اطراف پیکسل که به میانگین رنگ مشهور است، ایجاد می شود.

فهرست مطالب

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 باCharge-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 روشهاي مختلف براي افزایش بهره وري 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)

24Reducing 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

4-4-1)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

4-6)SR  مدار  48

4-7) اثر تغییرات خازنC_L  48

4- 8) مقادیر حاشیه فاز و بهره مدار 49

4-9) 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

چکيده انگليسي 71

فهرست اشکال

(1-1)CCD –sensor 6

(1-2)CMOS-sensor 7

(1-3) نحوه عملکردCCD  و CMOS برای تشخیص تصویر 9

(1-4) ساختار سنسور CMOS 10

(1-5) ساختار سنسور CCD 10

(1-6CCD (یاCMOS 11

(3-1) Leakage Current-  Dynamic Power-Short Circuit Current  21

22Adiabatic Circuits – Charge Recovery Logic (3-2)

23Static NOR (3-3)

23Dynamic NOR (3-4 )

24Pass Transistor Logic (3-5)

25Glitch Free AND Gate (3-6)

27Variable Body Biasing (3-7)  28Circuit Design with Sleep Transistors (3-8)

29DTMOS Circuit (3-9)  30Short Circuit Power in CMOS Circuits (3-10)

(4- 1 ) ساختار اصلی مدار 33

(4- 2) شماتیک مدار تقویت کننده ارایه شده 34

(4-3) شماتیک مدار در تکنولوژی 90 نانومتر به همراه ابعاد ترانزیستورها 39

(4-4) شماتیک مدار در تکنولوژی 180 نانومتر به همراه ابعاد ترانزیستورها 40

(4-5) شکل موج ورودی – شکل موج خروجی 41

(4-6) منحنی سیگنال نمونه جهت محاسبه اندازه حاشیه فاز1 43

(4-7) منحنی سیگنال نمونه جهت محاسبه اندازه حاشیه فاز2 44

(4-8) جریان بایاس تطبیقی IADP  و شکل موج های ورودی و خروجی 45

(4-9) پالس ولتاژ خروجی 46

(4-10) نمودار تغییرات جریانIADP 47

(4-11) دیاگرام Bode خروجی مدار با تکنولوژی 90 nm 49

(4-12) دیاگرام Bode خروجی مدار با تکنولوژی 0.18 um 50 (4-13) مدار تقویت کننده بدون بلوک ABCC 51

(4-14)منحنی حاشیه فاز و بهره مدار تقویت کننده بدون بلوک ABCCبا تکنولوژی 0.18 um……….52

(4-15)منحنی حاشیه فاز و بهره مدار تقویت کننده بدون بلوک ABCCبا تکنولوژی 90 nm…………..53

(4-16)منحنی SR مدار تقویت کننده بدون بلوک ABCCبا تکنولوژی 0.18 um…………………………54

(4-17) منحنی  SRمدار تقویت کننده بدون بلوک ABCCبا تکنولوژی 90 nm…………………………….55

فهرست جداول

4-1 مشخصه های خروجی تقویت کننده 48

4-2 مقایسه پارامترهای حاصل از شبیه سازی مدار تقویت کننده در تکنولوژی های 0.18 umو 90nm در دوحالت همراه و بدون بلوک ABCC 56

راهنمای خرید و دانلود فایل

برای پرداخت، از کلیه کارتهای عضو شتاب میتوانید استفاده نمائید.

بعد از پرداخت آنلاین لینک دانلود فعال و نمایش داده میشود ، همچنین یک نسخه از فایل همان لحظه به ایمیل شما ارسال میگردد.

در صورت بروز  هر مشکلی،میتوانید از طریق تماس با ما  پیغام بگذارید و یا در تلگرام با ما در تماس باشید، تا شکایت شما مورد بررسی قرار گیرد.

برای دانلود فایل روی دکمه خرید و دانلود  کلیک نمایید.