Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı
Advanced circuit architectures for readout electronics of low-cost microbolometer focal plane arrays
Düşük maliyetli mikrobolometre odak düzlem matrislerinin okuma elektroniği için ileri seviye devre mimarileri
Mustafa Haluk Çöloğlu - 2017Teze Git (tez.yok.gov.tr)
Özet:
This thesis presents a study on the design and characterization of advanced circuit architectures for readout electronics of low-cost microbolometer focal plane arrays (FPAs). In this respect, two advanced circuit architectures are developed in order to improve the performance, flexibility, and simplicity of use of the microbolometer based low-cost thermal imaging sensors. The first circuit architecture is developed for the readout electronics of 40x40 focal plane array (FPA) with 60 µm pixel pitch using 0.35 µm CMOS technology and contains several digital circuit blocks such as a digital controller, row scanner, column multiplexer, serial peripheral interface (SPI), sensor configuration memory, and pixel level biasing (PLB) memory assigned to the selected FPA row. The digital controller block allows the sensor to generate its own timing signals using only an external clock signal. The row scanner performs a selection of single FPA row at a time and the column multiplexer serializes the analog outputs of the column readout channels. A standard 4-wire SPI is designed to provide a simple communication means between the sensor memory and external controller. This programmability provides flexible operation under different conditions. The designed circuit blocks in the first sensor were tested and verified, then, first infrared images were obtained from the sensor. In order to improve the sensor performance, a simple but very efficient detector bias calibration algorithm is developed on Field-Programmable-Gate-Array (FPGA). The test results of the developed algorithm show that the effects of all non-uniformity sources can be compensated in just 7 frames with simple camera electronics. The second circuit architecture is developed for the readout electronics of 80x80 FPA with 35 µm pixel pitch using 0.18 µm CMOS technology. Besides the circuit blocks developed for the first sensor, the second circuit architecture has several important improvements. Firstly, the PLB memory of the second sensor is designed to store the calibration data of all pixels. This improvement simplifies the physical interface between the sensor and camera electronics, since no real time data transmission is required to fill PLB memory. Secondly, the detector bias calibration algorithm developed for the first sensor is integrated into the second sensor. Thanks to this improvement, the second sensor is able to self-calibrate itself by using only on-chip components. Lastly, the image windowing feature, which may be required in some applications to decrease total power consumption of the sensor by reducing the resolution of the output image, is added to the second sensor. The circuit architectures developed in the scope of this thesis can be used for all types of microbolometer FPAs to improve their performance. The developed circuit architecture for the second sensor makes it the first thermal imaging sensor having fully on-chip non-uniformity correction feature in Turkey.
Summary:
Bu tez, düşük maliyetli mikrobolometre odak düzlem matrisleri okuma elektroniği için gelişmiş devre mimarilerinin tasarım ve karakterizasyon çalışmalarını sunmaktadır. Bu bağlamda, mikrobolometre tabanlı düşük maliyetli termal görüntüleme sensörlerinin performansını, esnekliğini ve kullanım kolaylığını artırmak için iki ileri seviye devre mimarisi geliştirildi. 0.35 µm CMOS teknolojisi kullanılarak tasarlanan birinci devre mimarisi, 60 µm piksel aralığına sahip olan 40x40 odak düzlem matrisinin (FPA) okuma elektroniği için geliştirildi ve dijital denetleyici, satır tarayıcı, sütun çoklayıcı, seri periferik arabirimi (SPI), sensör konfigürasyon belleği ve seçili FPA satırına tahsis edilmiş olan pixel seviyesinde kutuplama (PLB) belleği gibi dijital devre bloklarından oluşur. Sayısal denetleyici bloğu, sensörün kendi zamanlama sinyallerini yalnızca harici bir saat sinyali kullanarak üretmesine izin verir. Satır tarayıcı bir seferde tek FPA sırasını seçer ve sütün çoklayıcı sütun okuma devresi analog çıkışlarının seri hale getirilmesini sağlar. Standard 4-telli SPI, sensör belleği ve harici kontrolör arasında basit bir iletişim yolu sağlamak için tasarlanmıştır. Bu programlanabilirlik, farklı koşullar altında esnek bir çalışma sağlar. Birinci sensörde tasarlanan devre blokları test edilip doğrulandıktan sonra sensörden ilk infrared görüntüler elde edilmiştir. Sensör performansını artırmak için basit fakat çok etkili bir dedektör kutuplama kalibrasyon algoritması Alan-Programlanabilir-Kapı-Dizisi (FPGA) üzerinde geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritmanın test sonuçları, tüm düzensizlik kaynaklarının etkilerinin basit bir kamera elektroniği ile sadece 7 karede giderilebileceğini göstermektedir. 0.18 µm CMOS teknolojisi kullanılarak tasarlanan ikinci devre mimarisi, 35 µm piksel aralığına sahip olan 80x80 FPA okuma elektroniği için geliştirildi. Birinci sensör için geliştirilen devre bloklarına ilaveten, ikinci devre mimarisi birkaç önemli iyileştirmeye sahiptir. İlk olarak, ikinci sensörün PLB belleği tüm piksellerin kalibrasyon verilerini saklamak üzere tasarlanmıştır. Bu iyileştirme, sensör ve kamera elektroniği arasındaki fiziksel arayüzü basitleştirmektedir, çünkü PLB belleğini doldurmak için gerçek zamanlı veri iletimi gerekmez. İkinci olarak, birinci sensör için geliştirilen dedektör kutuplama kalibrasyonu algoritması, ikinci sensöre entegre edildi. Bu iyileştirme sayesinde, ikinci sensör, yalnızca yonga-üstü bileşenleri kullanarak kendi kendini kalibre edebilmektedir. Son olarak, ikinci sensöre, bazı uygulamalarda çıktı görüntüsünün çözünürlüğünü azaltarak sensörün toplam güç tüketimini azaltmak için gerekli olabilecek görüntü maskeleme özelliği eklenmiştir. Bu tez kapsamında geliştirilen devre mimarileri, her tür mikrobolometre FPA'sının performansını iyileştirmek için kullanılabilir. İkinci sensör için geliştirilen devre mimarisi, bu sensörü tümüyle yonga-üstü düzensizlik giderme özelliği olan Türkiye'deki ilk termal görüntüleme sensörü yapmaktadır.