Gerilim kontrollü salıngaç tabanlı düşük kaynak gerilimli mikrobolometre okuma devresi

Bu tez, analog tabanlı klasik mikrobolometre devrelerinin alan ve güç dağılımı darboğazlarının üstesinden gelmek için mikrobolometre okuma devreleri için yeni, neredeyse dijital bir yaklaşım sunar. Klasik okuma devrelerinde kapasitif transimpedans amplifikatörü (CTIA) yerine voltaj kontrollü salıngaç (VCO) tabanlı analogdan dijitale dönüştürücü (ADC) kullanılır. Daha önce rapor edilmeyen bu yaklaşım, hem mikrobolometre giriş devresi için gerekli kazancı sağlar hem de mikrobolometre piksel sinyalini doğrudan sayısallaştırılır. Önerilen mimari ile mikrobolometre devrelerinde akımın toplandığı büyük kapasitans ihtiyacı (her kolon için 10-15 pF düzeyinde) ve klasik mikrobolometre devrelerinin voltaj genlik kısıtlamalarını ortadan kaldırılmıştır. Bu nedenle, önerilen mimari, azaltılmış piksel aralığı ve daha düşük güç kaynağı ile okuma devrelerinin tasarlanmasına izin verir ve bunların her ikisi de, daha düşük güç dağılımına sahip daha yüksek çözünürlüklü FPA'lara (Odak Düzlem Dizileri) tasarlanabilmesine yol açar. Bu çalışma ayrıca, mikrobolometre okuma devreleri için kutuplamadan dolayı ısıtma etkilerini telafi etmek için referans olarak ince ayarlanabilir CMOS direnci kullanan bir yöntemi açıklar. Önerilen kendi kendine kalibre edilmiş soğutucusuz yapı, entegrasyon süresi boyunca CMOS direncini dinamik olarak değiştirir. Bu kompanzasyon yapısı aynı zamanda osilatörleri doğrusal bölgede çalışmaya zorlayan bir geri besleme döngüsü içerir. Önerilen kendi kendini kalibrasyon devresi, 65 nm'lik bir proses düğümü kullanılarak tasarlanmış ve simüle edilmiştir. Sayısal çıkış sinyalinin 10K silicon taban sıcaklığı değişiklikleri için istenen pencerede tutulması için umut verici sonuçlar vermektedir. Test devresi, önerilen mimariyi doğrulamak için TSMC 65nm düğümünde tasarlanmış ve Çok Projeli Yonga (MPW) üretim altyapısı kullanılarak üretilmiştir. Bu prototip okuma entegresi 4$\times$4 piksel dizini, bir 1$\times$4 referans dizini, 2 VCO tabanlı kolon okuma devresi, zamanlama oluşturma devresi ve kutuplama üreteci içerir. Ölçüm sonuçları, önerilen mimarinin 2,5 LSB /$\Omega$ civarında kazanç sağladığı ölçülmüştür. Önerilen mimarinin gürültüsü 2,6 LSB olarak ölçülmüştür. Bu iki parametre, son teknoloji mikrobolometre okuma devrelerinin performans olarak biraz üzerinde olan 55mK gürültü eşdeğeri sıcaklık farkı (NETD) vermektedir. Kazanç grafikleri ayrıca, önerilen mimarinin, daha büyük giriş voltajları için osilatör yapısının doğrusal olmayışını sebebiyle doğal bir yüksek dinamik aralık (HDR) yeteneğine sahip olduğunu göstermektedir. Ek olarak, önerilen mimari, klasik mikrobolometre devrelerinin neredeyse üçte biri olan kolon başına yaklaşık 79$\mu W$ güç harcamaktadır. Kolon okuma devresi, klasik mikrobolometre okuma devrelerinin yerleşim alanının yaklaşık onda birini kaplamaktadır. Bu iki özellik, bu mimariyi daha yüksek çözünürlüklü düşük güç tüketimli mikrobolometre okuma devreleri için uygun hale getirmektedir.