半導體物理器件-COMS驅(qū)動

1、CMOS驅(qū)動指導老師：學生：學號：5專業(yè)：電子科學與技術(shù)CMOS驅(qū)動 CMOS驅(qū)動需要注意一下幾點： CMOS的功耗 CMOS的電磁抗干擾能力 CMOS的響應速度 CMOS的電源與時序的設計 低功耗的設計對于CMOS來說是必不可少的，現(xiàn)在大多CMOS使用于圖像傳感，要求便攜，如果功耗很大，那么將很大程度上影響攜帶的方便性。降低功耗的方法好很多種例如，電流復用技術(shù)可以降低功耗1采用正反 饋技術(shù)以提高電路的增益，并且將MOS晶體管偏置在反型區(qū)以取得超低的功耗2。 電磁干擾對于電子設備的影響日益明顯,因此對其干擾機理的研究至關重要。在設計CMOS時要考慮其抗干擾能力3。 電子電路設計中，響應速度是一

2、個很重要的指標，響應速度關乎到整個系統(tǒng)的運算能力，其中一環(huán)響應速度跟不上，那么整個系統(tǒng)都會變得緩慢。 CMOS的電源與時序的設計是十分復雜且十分關鍵的，例如，CMOS 圖像傳感器LUPA-4000 工作中需要調(diào)節(jié)的7 種電源4。故電源和時序在CMOS驅(qū)動的設計中至關重要。CMOS簡介 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)指互補金屬氧化物(PMOS管和NMOS管)共同構(gòu)成的互補型MOS集成電路制造工藝，它的特點是低功耗。由于CMOS中一對MOS組成的門電路在瞬間看，要么PMOS導通，要么NMOS導通，要么都截至，比線性的三極管(BJT)效率要

3、高得多，因此功耗很低。 CMOS技術(shù)將來10年內(nèi)將達到極限，因為進一步縮小器件是關鍵，我們應大力促進納米CMOS技術(shù)5。CMOS優(yōu)點 相對于其他邏輯系列,CMOS邏輯電路具有一下優(yōu)點: 1.允許的電源電壓范圍寬,方便電源電路的設計 2.邏輯擺幅大,使電路抗干擾能力強 3.靜態(tài)功耗低 ,在獲得相同像素數(shù)的情況下，價格更低，具有很高性價比，可以不斷朝更高像素、更高分辨率發(fā)展 4.隔離柵結(jié)構(gòu)使CMOS期間的輸入電阻極大,從而使CMOS期間驅(qū)動同類邏輯門的能力比其他系列強得多CMOS應用 CMOS主要應用于三個領域 一是用于計算機信息保存，CMOS作為可擦寫芯片使用，在這個領域，用戶通常不會關心CMO

4、S的硬件問題，而只關心寫在CMOS上的信息，也就是BIOS的設置問題，其中提到最多的就是系統(tǒng)故障時拿掉主板上的電池，進行CMOS放電操作，從而還原BIOS設置。 二是在數(shù)字影像領域，CMOS作為一種低成本的感光元件技術(shù)被發(fā)展出來，市面上常見的數(shù)碼產(chǎn)品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端攝像頭產(chǎn)品，而通常高端攝像頭都是CCD感光元件。 三是在更加專業(yè)的集成電路設計與制造領域。CMOS與CCD的區(qū)別 CMOS制造工藝也被應用于制作數(shù)碼影像器材的感光元件（常見的有CCD和CMOS），尤其是片幅規(guī)格較大的單反數(shù)碼相機。再透過芯片上的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將獲得的影像訊號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出

5、。 CCD與CMOS圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換的原理相同，他們最主要的差別在于信號的讀出過程不同；由于CCD僅有一個（或少數(shù)幾個）輸出節(jié)點統(tǒng)一讀出，其信號輸出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每個像素都有各自的信號放大器，各自進行電荷-電壓的轉(zhuǎn)換，其信號輸出的一致性較差。但是CCD為了讀出整幅圖像信號，要求輸出放大器的信號帶寬較寬，而在CMOS 芯片中，每個像元中的放大器的帶寬要求較低，大大降低了芯片的功耗，這就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。盡管降低了功耗，但是數(shù)以百萬的放大器的不一致性卻帶來了更高的固定噪聲，這又是CMOS相對CCD的固有劣勢6。TTL和CMOS比較 1）TTL電路是電流

6、控制器件，而CMOS電路是電壓控制器件。 2）TTL電路的速度快，傳輸延遲時間短（5-10ns），但是功耗大。 CMOS電路的速度慢，傳輸延遲時間長（25-50ns），但功耗低。 CMOS電路本身的功耗與輸入信號的脈沖頻率有關，頻率越高，芯片集越熱，這是正常現(xiàn)象。 3）CMOS電路的鎖定效應（擎柱效應）： CMOS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大。這種效應就是鎖定效應。當產(chǎn)生鎖定效應時，CMOS的內(nèi)部電流能達到40mA以上，很容易燒毀芯片。CMOS驅(qū)動設計 一種高壓大一種高壓大電流快速電流快速CMOS驅(qū)動器驅(qū)動器在相控陣雷達的成千上萬個TR組件中，要實現(xiàn)

7、對波束的控制和驅(qū)動，離不開波控功率驅(qū)動電路。每一個TR組件均需要一個微波開關，通常采用PIN二極管，而PIN開關必須由波控驅(qū)動器來驅(qū)動。為了與雷達系統(tǒng)配套，提高其性能價格比，降低驅(qū)動器功耗，減小驅(qū)動器大電流輸出飽和壓降，提高驅(qū)動器速度，降低驅(qū)動器成本，CMOS驅(qū)動器的應用具有十分重要的意義7。高壓大電流快速CMOS驅(qū)動器屬于單導通PIN驅(qū)動器，其技術(shù)指標包括四路輸出，每路輸出驅(qū)動電流不小于80mA，輸出延遲及上升時間不大于300ns，輸出延遲及下降時間不大于200ns，電源電壓30V、5V、5V，控制端與TTL兼容，工作溫度55125C，封裝形式為標準DIP16S引線和LCC24（陶瓷無引線載

8、體）。高壓大電流驅(qū)動原理圖 基于積分時間和增益可調(diào)的基于積分時間和增益可調(diào)的CMOS驅(qū)動驅(qū)動設計設計 為了適應光照強度的變化, 通常需要改變積分時間來選擇合適的曝光量。但積分時間設置過長, 會使CMOS圖像傳感器的輸出幀頻大幅度的降低。為了解決這一問題,提出了一種改進的設計方法, 可以保證在對圖像傳感器的輸出幀頻影響較小情況下, 能夠?qū)崿F(xiàn)自適應光照強度調(diào)整8。 積分積分時間和增益時間和增益的自的自適應適應調(diào)節(jié)設計調(diào)節(jié)設計 積分時間和增益的積分時間和增益的自適應調(diào)節(jié)原理自適應調(diào)節(jié)原理基本原理是利用積分時間的改變對CMOS圖像傳感器輸出幀頻的影響, 提出了一種改進的驅(qū)動時序, 在原來只改變積分時間

9、的基礎上, 增加了對輸出放大器增益的控制, 這樣可以通過對增益的調(diào)節(jié)來補償積分時間改變對輸出幀頻的影響。最終不僅能實現(xiàn)自適應曝光的目的, 而且還可以滿足快速測量的要求。 抗電磁干擾抗電磁干擾低電壓低電壓CMOS放大器設計放大器設計 隨著集成電路特征尺寸不斷縮減、集成度越來越高，片上及片間電磁干擾問題愈加嚴重，為避免干擾引起的IC性能削弱及失效，片上系統(tǒng)抗干擾設計尤為重要9。 該設計基于CMOS體驅(qū)動，提出低電壓放大器抗電磁干擾結(jié)構(gòu)電路采用部分正反饋結(jié)構(gòu)提高體驅(qū)動輸入級的等效輸入跨導，通過輸入電壓降結(jié)構(gòu)改善體驅(qū)動結(jié)構(gòu)的直流非線性，采用雙輸入級結(jié)構(gòu)保證放大器良好的交流特性，同時，對稱拓撲結(jié)構(gòu)保證了

10、電路的高度對稱性，實現(xiàn)了對稱的轉(zhuǎn)換速率該設計采用電源電壓為 的0.35 標準CMOS工藝實現(xiàn)10。雙輸入級反饋電壓降放大器 與傳統(tǒng)放大器抗電磁干擾比較。失調(diào)電壓：輸入存在1Vpp 電干擾 該設計采用帶有部分正反饋及輸入電壓降結(jié)構(gòu)的雙輸入級體驅(qū)動結(jié)構(gòu)實驗結(jié)果表明，基于1V 干擾電壓下，所設計電路的失調(diào)電壓最大值僅為50mV，10KHZ 頻點處的輸出PSD 峰值相比傳統(tǒng)體驅(qū)動結(jié)構(gòu)下降33dBm，且對1HZ-4GHZ頻帶范圍內(nèi)的電磁干擾均具有抑制作用參考文獻1吳偉, 李衛(wèi)民, 趙元富. 低功耗CMOS UWB LNA設計綜述J. 中國集成電路, 2011, 20(05):66-73.2穆昊. 一種新

11、穎的超低功耗CMOS低噪聲放大器設計J. 數(shù)字通信世界, 2015.3陳杰, 杜正偉. 電磁干擾對CMOS傳輸門的影響J. 清華大學學報：自然科學版, 2012, (12):1709-1714.4趙志剛, 杜楊, 黃建衡,等. 電源和驅(qū)動時序可調(diào)整CMOS成像系統(tǒng)的實現(xiàn)J. 光電工程, 2010, 06期(6):119-125.5 Iwai H. Future of nano CMOS technologyJ. Solid-State Electronics, 2015, 8770:57 - 61.6金寶智. 圖像傳感器：CCD與CMOS的對比J. 現(xiàn)代電視技術(shù), 2005, 第5期(5):80-81.7張家斌, 江澤福, 胡剛毅. 一種高壓大電流快速CMOS驅(qū)動器J. 微電子學, 1999, 第5期(05):381-384.8胡曉東, 楊東來, 肖茂森,等. 基于積分時間和增益可調(diào)的CMOS驅(qū)動設計J. 科學技術(shù)與工程, 2010, 10(14):3490-3493.9 Richelli A. Increasing EMI I