High dynamic range pixel architecture with smart light intensity decision unit

Abstract

Bu tezde üçüncü nesil kızılötesi dedektörler için özgün piksel mimarisi önerilmiştir. Çift/çok bantlı dedektörler ve geniş spektrumlu dedektörler için gelen ışık akışını algılayan akıllı bir tasarım sunulmuştur. Bu mimari analog entegre okuma devreleri arasında çok geniş bir dinamik aralığa erişmektedir. Okuma devreleri için yüksek dinamik aralık çok karanlık ve parlak sinyallerin aynı anda görüntülenip işlenmesi demektir. Özetle, yüksek dinamik aralık yüksek karşıtlık ve hassaslık sağlamaktadır. Bu özellik güvenlikten endüstriye bir çok alandaki uygulamalarda kendine yer bulmaktadır. Tipik bir entegre okuma devresindeki piksel hücresinde giriş güçlendiricisi, kazanç anahtarları, çoklayıcı çıkış güçlendricisi ve çeşitli kontrol anahtarları bulunmaktadır. Tek bantlı bir dedektörde kullanılan entegre okuma devresi ortalama bir performans için optimize edilmiş bir tane giriş güçlendiricisi kullanmaktadır. Önerilen özgün mimaride tek bir giriş güçlendiricisi kullanmak yerine farklı ışık seviyeleri için optimize edilmiş iki giriş güçlendiricisi kullanılmıştır. Gelen ışık seviyesine göre en iyi giriş güçlendiricisini seçen akıllı devre mekanizması da gene özgün pixel mimarisi için tasarlanmıştır. Kısaca, akıllı pixel gelen sinyal seviyesine göre en iyi SNR seviyesini veren en uygun güçlendiriciyi seçmektedir. 0.18 m CMOS teknolojisi kullanılarak 32x32 boyutunda prototip çip tasarlanmıştır. Çip en düşük 8.6 e gürültü seviyesine erişmiştir ve 98.9 dB lik dinamik aralığa sahiptir. 300 K ortam sıcaklığında çalışmaktadır ve piksel başına 2.8 W'lık güçc tüketimi vardır.

This thesis would not be have been accomplished without the guidance, the support, and the inspiration of the many people: my professors, co-workers, and friends as well as my parents. It is a pleasure to convey my gratitude to them all in my humble acknowledgment. First and foremost, I would like to express my sincere gratitude to my advisor Prof. Yasar Gurbuz for the continuous support of my Ph.D study and related research, for his patience, motivation, and immense knowledge. His guidance helped me in all the time of research and writing of this thesis. I would like to also thank to my thesis committee members, Assoc. Prof Ayhan Bozkurt, Prof. Erkay Savas, Assoc. Prof. Arda Deniz Yalcinkaya and Assist. Prof. Erdinc Ozturk for their valuable guidance comments and critiques. Throughout my PhD study, I was supported by TUBITAK BIDEB-2211 program. I am grateful for this scholarship and hope that the program can support many young scientists in the future as well. My thesis work is supported by SANTEZ program of Ministry of Science, Industry and Technology, with project code 1250.STZ.2012-1. I also would like to thank to Prof. Ugur Cam for his guidance and valuable comments during the process of the project. I am thankful to my comrade designers Dr. Huseyin Kayahan and Omer Ceylan for their contribution to this work and everything during my study. I would like to also tank the former and present members of the ROIC group: M. Burak Baran, Atia Shafique, Arman Galioglu and Shahbaz Abbasi. Especially, I would like to thank Ilker Kalyoncu, Can Caliskan and Abdurrahman Burak for their help in my tape-outs and their friendship. Every member of the IC Design and Test Lab deserve many thanks for creating frendly environment and all their help: Emre Ozeren, Murat Davulcu, Barbaros Cetindogan, Berktug Ustundag, Esref Turkmen, Elif Gul Ozkan Arsoy, Divya Mahalingam, Dr. Geetesh Mishra, Alper Guner, Emre Can Durmaz. I would like to thank laboratory stuff of EE program Ali Kasal for his support and Mehmet Dogan for his design PCB skills. Finally, I thank to my family Mehmet and Fatma for their encouragement, support and love throughout my life.