INTEGRIRANI BARVNI SENZOR SVETLOBE Z VELIKIM DINAMIČNIM OBMOČJEMNAHTIGAL, UROŠ (Avtor) Strle, Drago (Mentor) RGBsvetlobni senzorhibridni sigma-delta modulatorpretvorba toka v digitalno besedoDoktorska disertacija obravnava implementacijo svetlobnega/barvnega senzorja in analogno digitalnega pretvornika na istem integriranem vezju (čipu), kjer za pravilno delovanje svetlobnega senzorja, umeščanja svetlobe v barvni prostor, niso potrebni dodatni barvni filtri in dragi tehnološki koraki. Integrirano vezje je realizirano v standardnem 130 nm procesu z dvema otokoma in šestimi metalnimi plastmi. Barvni senzor je sestavljen iz treh fotodiod z različnimi odzivi pri različnih valovnih dolžinah v vidnem spektru elektromagnetnega valovanja. Umeščanje odzivov fotodiod v barvni prostor (RGB) različnih svetlobnih virov, je bilo doseženo z dodatnim digitalnim procesiranjem, kjer smo s statističnim urjenjem pridobili transformacijske barvne matrike in barvne funkcije, s pomočjo katerih smo dosegli najmanjšo napako pri umeščanju svetlobe v barvni prostor pri različnih svetlobnih virih. Za doseganje barvne selektivnosti izkoriščamo različno penetracijsko globino svetlobe pri različnih valovnih dolžinah, kar nam omogoča uporabo različnih parov plasti v standardnem CMOS procesu za doseganje barvne selektivnosti. Uporabljene fotodiode so realizirane iz naslednjih plasti. Dioda, ki jo sestavljata N-otok in P-substrat ima ''rdeč'' odziv, dioda med N+ dopirano plastjo in P-substratom ima ''zelen'' odziv, medtem ko ima dioda med N+ plastjo in P-otokom ''moder'' odziv. Območje generiranega toka izbranih fotodiod je med 0,1 pA in 300 nA, kar pomeni dinamično območje večje kot 120 dB. Za zagotavljanje velikega dinamičnega območja in zahtevane ločljivosti 0,1 pA ter linear- nosti skozi celotno tokovno oziroma dinamično območje, smo kot analogno digitalni pretvornik izbrali sigma-delta modulator tretjega reda z eno bitnim internim kvantizatorjem, ki omogoča teoretično razmerje med signalom in kvantizacijskim šumom enako 148 dB ter edini omogoča ločljivost boljšo od 20 bitov brez dodatnih tehnoloških posegov. Uporaba modulatorja omogoča direktno pretvorbo vhodnega toka v digitalni signal BS (ang. ''Bit Stream - BS''), saj je prva integracijska stopnja v modulatorju časovno zvezna, naslednji stopnji pa sta časovno diskretni realizirani z vezji S-C. Uporaba časovno zveznega integratorja na vhodu, poleg direktne pretvorbe toka, poenostavi tudi parametre uporabljenega ojačevalnika, kot so: pasovna širina, hitrost spremembe izhodne napetosti ter poraba, hkrati pa izboljša šumne karakteristike. Slabosti pas sta: občutljivost na trepetanje ure ter velika odvisnost časovnih konstant na procesne parametre in temperaturo. Znižanje vpliva trepetanja ure na končno razmerje signal-šum, smo dosegli z dodatnim FIR-DAC filtrom v povratni veji, kjer smo izhod FIR-DAC filtra povezali z vhodom v časovno zvezni integrator. FIR-DAC filter deluje kot digitalno-analogni pretvornik, ki ohranja inherentno linearnost internega enobitnega kvantizatorja, z večbitnim izhodom. Povečanje števila izhodnih bitov digitalno-analognega pretvornika v povratni veji zniža vpliv trepetanja ure na končno razmerje signal šum. V disertaciji je predstavljen model ter simulacijski rezultati visokonivojskega modela modulatorja, njegova realizacija na tranzistorskem nivoju ter simulacijski rezultati preverjanja delovanja s Spice simulatorjem in izmerjeni rezultati. Delovanje modulatorja in fotodiod smo preveril s funkcionalnimi in kvalitativnimi meritvami. Poleg funkcionalnega delovanja, šuma in ojačenja modulatorja smo preverili tudi svetlobno odzivnost celotnega sistema.20162016-10-24 13:55:01Doktorsko delo/naloga86740sl