Diseño de un sensor de imagen asíncrono autoalimentado mediante captación de energía solar

Abstract

En este Trabajo de Fin de Máster se ha diseñado un sensor asíncrono con una arquitectura del tipo Time-to-First-Spike (TFS), cuyos píxeles son capaces tanto de absorber energía como de sensar iluminación siendo alimentados a los niveles de tensión generados por una unión PN iluminada (entre 250 mV y 500 mV), funcionando de manera autosuficiente gracias a que recolectan la energía en una capacidad externa. El sensor completo ha sido implementado a nivel de layout y ha sido enviado a fabricar. Los píxeles explotan las ventajas de la arquitectura asíncrona del sensor para conmutar los fotodiodos correspondientes de los píxeles ya leídos (los más iluminados) a la región fotovoltaica, de manera que contribuyan a la alimentación durante la operación. El principal reto encontrando a la hora del diseño, fue lograr que el píxel fuese capaz de funcionar a niveles tan bajos de tensión con un consumo reducido, sin penalizar excesivamente el área. Para ello, se realizó el estudio detallado de un comparador trabajando en inversión débil, único elemento analógico presente en el píxel. Posteriormente, se presentaron los bloques que componen la periferia: Un árbol de arbitradores y lógica de selección para implementar el protocolo Address Event Representation (AER) y dos registros de desplazamiento para poder seleccionar una Región de Interés (ROI) a la hora de sensar imagen, mientras que el resto de píxeles contribuyen a la alimentación. Por último, se realizaron las simulaciones eléctricas que se consideraron adecuadas para verificar el funcionamiento del sensor bajo tres escenarios distintos, además de realizar una estimación tentativa de la imagen que podría obtenerse tras modelar el comportamiento del píxel con herramientas de cálculo numérico. Se realizó una breve caracterización de los parámetros más representativos del sensor, obteniendo un Fixed-Pattern Noise (FPN) de aproximadamente entre el 4 % y el 10 %, en función del número de colisiones.

In this Master’s Thesis, a Time-to-First-Spike (TFS) image sensor has b een prop ose d, whose pixels are capable of b oth harvesting energy and sensing image p owered at the low voltage levels generated by an illuminated PN junction (b etween 250 mV and 500 mV ) in a self-p owered way thanks to collecting energy in an external capacitor. The entire sensor has b een implemented at the layout level and has b een sent to manufacture. The designed pixel exploits the advantages of asynchronous architecture to switch the photo dio des of read pixels (those more illuminated) to the photovoltaic region, in order to contribute to the p ower supply during op eration. The m ain design challenge was to make the pixel able to work at such low voltage levels and reduced p ower consumption, without excessively p enalizing the area. In consequence, a detailed study of a comparator working on we ak inversion (the only analog blo ck within the pixel) was carried out. Subsequently, p eripheral blo cks were presented, including an arbitration tree and selection logic to implement the Address Event Representation (AER) proto col and two shift registers that allow the selection of a Region of Interest (ROI) where the pixels detect the image while the rest of the array harvests energy. Finally, several ele ctric al simulations were run to validate the sensor p erformance under three different scenarios, as well as by numerical to ols to make a rough estimation of the image that could render the sensor. Also, a brief characterization of the sensor was p erformed, s howing a Fixed Pattern Noise (FPN) b etween 4 % and 10 %, approximately.