半导体物理器件-COMS驱动

CMOS驱动指导老师：学生：学号：5专业：电子科学与技术CMOS驱动•CMOS驱动需要注意一下几点：•CMOS的功耗•CMOS的电磁抗干扰能力•CMOS的响应速度•CMOS的电源与时序的设计•低功耗的设计对于CMOS来说是必不可少的，现在大多CMOS使用于图像传感，要求便携，如果功耗很大，那么将很大程度上影响携带的方便性。降低功耗的方法好很多种例如，电流复用技术可以降低功耗[1]采用正反馈技术以提高电路的增益，并且将MOS晶体管偏置在反型区以取得超低的功耗[2]。•电磁干扰对于电子设备的影响日益明显,因此对其干扰机理的研究至关重要。在设计CMOS时要考虑其抗干扰能力[3]。•电子电路设计中，响应速度是一个很重要的指标，响应速度关乎到整个系统的运算能力，其中一环响应速度跟不上，那么整个系统都会变得缓慢。•CMOS的电源与时序的设计是十分复杂且十分关键的，例如，CMOS图像传感器LUPA-4000工作中需要调节的7种电源[4]。故电源和时序在CMOS驱动的设计中至关重要。CMOS简介•CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间看，要么PMOS导通，要么NMOS导通，要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低。•CMOS技术将来10年内将达到极限，因为进一步缩小器件是关键，我们应大力促进纳米CMOS技术[5]。CMOS优点•相对于其他逻辑系列,CMOS逻辑电路具有一下优点:•1.允许的电源电压范围宽,方便电源电路的设计•2.逻辑摆幅大,使电路抗干扰能力强•3.静态功耗低,在获得相同像素数的情况下，价格更低，具有很高性价比，可以不断朝更高像素、更高分辨率发展•4.隔离栅结构使CMOS期间的输入电阻极大,从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多CMOS应用•CMOS主要应用于三个领域•一是用于计算机信息保存，CMOS作为可擦写芯片使用，在这个领域，用户通常不会关心CMOS的硬件问题，而只关心写在CMOS上的信息，也就是BIOS的设置问题，其中提到最多的就是系统故障时拿掉主板上的电池，进行CMOS放电操作，从而还原BIOS设置。•二是在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来，市面上常见的数码产品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端摄像头产品，而通常高端摄像头都是CCD感光元件。•三是在更加专业的集成电路设计与制造领域。CMOS与CCD的区别•CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件（常见的有CCD和CMOS），尤其是片幅规格较大的单反数码相机。再透过芯片上的模-数转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为数字信号输出。•CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势[6]。TTL和CMOS比较•1）TTL电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压控制器件。•2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短（5-10ns），但是功耗大。•CMOS电路的速度慢，传输延迟时间长（25-50ns），但功耗低。•CMOS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。•3）CMOS电路的锁定效应（擎柱效应）：•CMOS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，CMOS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。CMOS驱动设计•一种高压大电流快速CMOS驱动器在相控阵雷达的成千上万个T／R组件中，要实现对波束的控制和驱动，离不开波控功率驱动电路。每一个T／R组件均需要一个微波开关，通常采用PIN二极管，而PIN开关必须由波控驱动器来驱动。为了与雷达系统配套，提高其性能／价格比，降低驱动器功耗，减小驱动器大电流输出饱和压降，提高驱动器速度，降低驱动器成本，CMOS驱动器的应用具有十分重要的意义[7]。高压大电流快速CMOS驱动器属于单导通PIN驱动器，其技术指标包括四路输出，每路输出驱动电流不小于80mA，输出延迟及上升时间不大于300ns，输出延迟及下降时间不大于200ns，电源电压＋30V、＋5V、－5V，控制端与TTL兼容，工作温度－55～＋125°C，封装形式为标准DIP16S引线和LCC24（陶瓷无引线载体）。高压大电流驱动原理图•基于积分时间和增益可调的CMOS驱动设计为了适应光照强度的变化,通常需要改变积分时间来选择合适的曝光量。但积分时间设置过长,会使CMOS图像传感器的输出帧频大幅度的降低。为了解决这一问题,提出了一种改进的设计方法,可以保证在对图像传感器的输出帧频影响较小情况下,能够实现自适应光照强度调整[8]。•积分时间和增益的自适应调节设计•积分时间和增益的自适应调节原理基本原理是利用积分时间的改变对CMOS图像传感器输出帧频的影响,提出了一种改进的驱动时序,在原来只改变积分时间的基础上,增加了对输出放大器增益的控制,这样可以通过对增益的调节来补偿积分时间改变对输出帧频的影响。最终不仅能实现自适应曝光的目的,而且还可以满足快速测量的要求。•抗电磁干扰低电压CMOS放大器设计•随着集成电路特征尺寸不断缩减、集成度越来越高，片上及片间电磁干扰问题愈加严重，为避免干扰引起的IC性能削弱及失效，片上系统抗干扰设计尤为重要[9]。•该设计基于CMOS体驱动，提出低电压放大器抗电磁干扰结构．电路采用部分正反馈结构提高体驱动输入级的等效输入跨导，通过输入电压降结构改善体驱动结构的直流非线性，采用双输入级结构保证放大器良好的交流特性，同时，对称拓扑结构保证了电路的高度对称性，实现了对称的转换速率．该设计采用电源电压为１Ｖ的0.35μｍ标准CMOS工艺实现[10]。双输入级反馈电压降放大器•与传统放大器抗电磁干扰比较。失调电压：输入存在1Vpp电干扰•该设计采用带有部分正反馈及输入电压降结构的双输入级体驱动结构．实验结果表明，基于1V干扰电压下，所设计电路的失调电压最大值仅为50mV，10KHZ频点处的输出PSD峰值相比传统体驱动结构下降33dBm，且对1HZ-4GHZ频带范围内的电磁干扰均具有抑制作用．参考文献•[1]吴伟,李卫民,赵元富.低功耗CMOSUWBLNA设计综述[J].中国集成电路,2011,20(05):66-73.•[2]穆昊.一种新颖的超低功耗CMOS低噪声放大器设计[J].数字通信世界,2015.•[3]陈杰,杜正伟.电磁干扰对CMOS传输门的影响[J].清华大学学报：自然科学版,2012,(12):1709-1714.•[4]赵志刚,杜杨,黄建衡,等.电源和驱动时序可调整CMOS成像系统的实现[J].光电工程,2010,06期(6):119-125.•[5]IwaiH.FutureofnanoCMOStechnology[J].Solid-StateElectronics,2015,8770:57-61.•[6]金宝智.图像传感器：CCD与CMOS的对比[J].现代电视技术,2005,第5期(5):80-81.•[7]张家斌,江泽福,胡刚毅.一种高压大电流快速CMOS驱动器[J].微电子学,1999,第5期(05):381-384.•[8]胡晓东,杨东来,肖茂森,等.基于积分时间和增益可调的CMOS驱动设计[J].科学技术与工程,2010,10(14):3490-3493.•[9]RichelliA.IncreasingEMIImmunityinNovelLow-VoltageCMOSOpAmps[J].ElectromagneticCompatibilityIEEETransactionson,2012,54(4):947-950.•[10]白会新,李洪革,谢树果,等.抗电磁干扰低电压CMOS放大器设计[J].电子学报,2015.致谢感谢老师对我的悉心指导。