بسیاری از تحلیل گران صنایع اعتقاد دارند که نهایتا تمام دوربین های معمولی دیجیتال از CMOS استفاده خواهند نمود وCCD فقط در دوربینهای حرفه ای و گرانقیمت بکار خواهند رفت. در این تکنولوژی مشکلاتی از قبیل تصاویر دارای نویز و عدم توانایی در گرفتن عکس از موضوعات متحرک وجود دارد که امروزه با رفع این مشکلات، CMOS در حال رسیدن به برابری با CCD می باشد.
بر خلاف سنسورهای CCD، سنسورهای CMOS در مرحله خوانش و با کمک از دکد کننده های سری( بصورت خطی) و آمپلی فایرهای ستونی از حافظه دیجیتال استفاده میکنند. این طرز خوانش بسیاری از مشکلاتی که در سنسورهای CCD پیش می آمد را حل میکند، خوانش بسیار سریع تر صورت میپذیرد و توان بسیار کمتری مصرف میکند و دستیابی تصادفی به مقادیر پیکسل امکان میابد و بنابراین خوانش پنجره های پیکسل های مطلوب راحت تر و بصورت انتخابی میباشد. توان مصرفی کل سیستم کاهش میابد چراکه بسیاری از اجزاء الکترونیکی خارجی که در CCDها استفاده میشد در این تکنولوژی میتواند مستقیما درون تراشه سنسور CMOS ساخته شود. توان مصرفی کمتر باعث کاهش درجه حرارت سنسور و دوربین میشود و باعث بهبود عملکرد سیستم میگردد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل (۱-۳) نحوه عملکردCCD و CMOS برای تشخیص تصویر
اگر به ساختار سنسورهای CCD و CMOS نگاه کنیم در نگاه اول متوجه اختلاف میان این دو خواهیم شد،آنچه مسلم است هردوی این سنسورها نیمه هادی هائی با قابلیت ذخیره نور درقالب پیکسل ها می باشند ولی تفاوت در این جاست که در سنسورهای CCD بعد از عملیات نور گیری ، پکهای بار که هر کدام متناسب با یک پیکسل می باشند متناوبا به بخش خروجی هدایت می گردند که در آنجا کل بار مورد بحث حاصله به ولتاژ تبدیل شده و پس از عبور از یک بافر به خارج ازچیپ تراشه هدایت می گردد.
در تراشه CMOS عملیات تبدیل بار به ولتاژ بجای اینکه در مرحله آخر و بصورت کلی انجام پذیرد، در هر پیکسل و بطور جداگانه صورت می گیرد این تفاوت در نحوه بازخوانی اطلاعات، تفاوت عمده ای در ساختمان ، توانائی ها و محدودیت های چیپ تراشه مورد بحث ایجاد می کند .
شکل(۱-۴) ساختار سنسور CMOS
شکل (۱-۵) ساختار سنسور CCD
۱- ۵ ) مزایا و معایب و مقایسه کلی CCD و CMOS
بطور خلاصه خصوصیات تکنولوژی CCD را میتوان بدین صورت بیان نمود :
نیاز به مدارات جانبی و اضافی برای تولید سیگنال دیجیتال دارد
رنج دینامیک بالایی از نور دارند
بخاطر مدارات تراشه ای کمتر، نویز پذیری کمتری دارند
بطور خلاصه خصوصیات تکنولوژی CMOS را میتوان بدین صورت بیان نمود :
مبدل آنالوگ به دیجیتال و مدارات جانبی برای پردازش های خاص بر روی خود تراشه
پیچیدگی کمتر در طراحی سنسور که باعث تصویربرداری سریعتر میشود
توان مصرفی کمتر نسبت به CCDها
شکل(۱-۶CCD ( یا CMOS
فصل دوم – اهمیت کاهش توان مصرفی
۲-۱) توان مصرفی
فناوری نانو نقطه همگرایی علوم مختلف در آینده است. در این میان یکی از پرکاربردترین شاخه ها نانو الکترونیک می باشد. امروزه افزایش ظرفیت ذخیره داده، افزایش سرعت انتقال آن و کوچک کردن هر چه بیشتر وسائل الکترونیکی و به خصوص ترانزیستورها دارای اهمیت بسیاری است زیرا کوچک تر شدن ابعاد وسائل الکترونیکی علاوه بر افزایش سرعت پردازش، توان مصرفی را نیز کاهش می دهد و نانو الکترونیک می تواند در رسیدن به ابعاد هر چه کوچک تر راهگشا باشد. برای آشنایی بیشتر با این فن آوری و درک عمیق تر پدیده های گوناگونی که در ابعاد نانو متر روی می دهد و در نتیجه تحلیل دقیق نتایج و اصلاح اصولی روش های آزمایش، باید علوم پایه ای نظیر فیزیک کوانتوم و مکانیک کوانتومی و فیزیک حالت جامد مورد مطالعه قرار بگیرند.
پیشرفت در تکنولوژی ساخت مدارهای مجتمع ، و نیز طراحی مدارهای با مصرف توان کم باعث پیشرفت قابل توجه در ساخت تجهیزات پزشکی شده است. بحرانی ترین و پر مصرفترین بلوکها از نظر توان در سیستمهای گیرندهی ، سیگنالهای حیاتی، قسمت دریافت فوری اطالعات و پردازش آنها میباشد که کیفیت سیگنالهای دریافتی را تعیین میکند.داشتن سیستمی که بتواند طول عمر باتری بیشتری داشته باشد، نیاز به داشتن مدارهای با مصرف توان پایین را اجتناب ناپذیر میکند که محدودیتهایی را روی مدار گیرنده ایجاد خواهد کرد.
توان مصرفی یک فاکتور مهم برای طول عمر سنسور میباشد. بیشترین توان مصرفی برای شبکه های سنسور بی سیم، صرف انتقال تصویر بصورت بی سیم در فضا میگردد که این امر به خاطر پهنای باند زیاد برای انتقال تصویر میباشد. یک راه برای کاهش پهنای باند این است که تنها وقتی تغییری در تصویر یا سیگنال اتفاق می افتد، سیگنال جدیدی ساخته شود که این امر توسط نظارت بر تغییرات حرارتی انجام میگیرد. اگر چه این موضوع بسته به شرایط محیطی انتقال تصویر مانند تغییرات وضوح تصویر یا پس زمینه تصویر میتواند کم و زیاد شود.
۲-۲ ) بهینه سازی مصرف توان
میزان مصرف انرژی و راندمان انرژی به مهمترین موضوع مورد بحث در زمینه ی سخت افزار تبدیل شده است. موضوع مصرف انرژی به میزان انرژی مورد نیاز ورودی به قطعه در حالت های مختلف مربوط می شود تا حدی که آن قطعه بتواند وظایف خود را به درستی انجام دهد. راندمان انرژی به نوعی با میزان مصرف انرژی ارتباط دارد. اما در کل راندمان انرژی به چگونگی استفاده از انرژی توسط یک قطعه بستگی دارد. این که چه میزان از انرژی صرف انجام کار می شود و چه میزان از آن به هدر می رود و یا اینکه چه قدر از آن به مصارف غیر ضروری و یا به مصارف اجتناب ناپذیر می رسد از مواردی هستند که می توانند راندمان یک قطعه را مشخص کنند. شرکت های بزرگ نیز موظف شده اند تا قطعات خود را با کمترین مصرف انرژی اما با همان بازده قبلی تولید کنند. این شرکت ها شرایط و استانداردهایی را تعیین کرده اند و بر طبق آنها محصولات خود را تولید می کنند . اگر این استاندارد ها در تمامی قطعات مورد استفاده قرار بگیرد، شاهد بهینه سازی مصرف انرژی را در حد بسیار بالایی شاهد خواهیم بود.
معمولا میزان مصرف انرژی در وسایل برقی و قطعات کامپیوتری در دو حالت مورد بررسی قرار می گیرد. حالتی که قطعه بیکار است و حالتی که بیشترین میزان کار از قطعه گرفته می شود. البته مشخص کردن دقیق این مقادیر انرژی گاهی اوقات فقط جنبه ی تئوری دارد چرا که در عمل و بسته به شرایط مختلف ممکن است میزان مصرف به کمترین یا بیشترین میزان تعیین شده توسط شرکت سازنده نرسد. مشخصا کمترین میزان مصرف انرژی برای زمانی ست که استفاده ایی از قطعه ی مورد نظر نمی شود و آن قطعه فقط روشن است اما کاری انجام نمی دهد. بیشترین میزان مصرف انرژی نیز زمانی است که قطعه ایی برای مدت طولانی در زیر بار کاری سنگین باشد. اغلب اوقات حداکثر میزان مصرف انرژی در مدت زمان محدودی صورت می پذیرد و بعد از گذشت این زمان میزان مصرف کاهش یافته و ممکن است دوباره به حالت حداکثر باز گردد. برای مثال زمانی که یک پردازنده در حال متراکم کردن یا زیپ کردن یک فایل است بار کاری بسیار زیادی بر روی آن اعمال می شود .
راه های مختلفی برای صرفه جویی در مصرف انرژی وجود دارد که به نوع قطعه ایی که از آن استفاده می کنیم و نوع استفاده ایی که از آن می کنیم بستگی دارد.این راه ها به نوع دیدگاه شرکت های سازنده نیز بستگی دارد. برای نمونه می توان شرکت AMD و Intel را در ساخت CPU مثال زد. سوالهایی که پیش می آید این است که کامپیوتر زمانی که بدون استفاده است چقدر انرژی مصرف می کند و یا اینکه یک کامپیوتر برای انجام یک کار چه مقدار انرژی مصرف می کند .به بیان دیگر چقدر طول می کشد تا یک فعالیت انجام شود. دسته ایی از کارشناسان روش هایی را پیشنهاد می کنند که توانایی و سرعت کمی دارند ولی انژی بسیار کمی نیز مصرف کرده و به این ترتیب صرفه جویی بسیار زیادی در مصرف انرژی می کنند. اما دسته ایی دیگر روشهایی را پیشنهاد می کنند که قدرتمند و پر سرعت هستند اما مصرف انرژی بیشتری دارند. اما اینکه چگونه می توان بین این دو حالت تعادل برقرار کرد مساله بسیار مهمی است. پیشنهاد گروه اول شاید در نگاه اول بهتر به نظر برسد اما باید این موضوع را نیز مد نظر داشت که اگر قطعه سرعت کمی داشته باشد وقت زیادی را برای انجام یک فعالیت صرف می کند. در حالی که یک قطعه پر سرعت با صرف کمترین وقت ممکن کار را انجام می دهد. به این ترتیب شما می توانید یک قطعه پر سرعت و البته بامصرف انرژی بالا داشته باشید. برای افزایش بهره وری کارهای خود را به کمک آن به سرعت انجام می دهید و سپس آنرا در حالت بدون استفاده یا Standby قرار دهید تا میزان مصرف انرژی آن به کمترین میزان ممکن برسد. از این طریق می توان کاری کرد که یک سیستم پر سرعت کمتر از یک سیستم کم مصرف انرژی مصرف کند. در واقع در این مبحث مساله ای که مهم است میزان توان مصرفی در واحد زمان است. می توان از یک طرف میزان توان مصرفی را کم کرد و در سوی دیگر زمان استفاده از انرژی را کاهش داد. انتخاب یکی از این دو راه و یا برقراری تعادل بین آنها بستگی به کاربر و موارد استفاده و نوع نگرش وی به موضوع مصرف انرژی دارد.
۲-۳) انتخاب روش های مختلف برای افزایش بهره وری
راه های مختلفی برای افزایش راندمان وجود دارد.باید به یاد داشته باشیم که رسیدن به حداقل انرژی مصرفی تمام هدف یک کاربر نیست نیست و او علاوه بر این موضوع باید به میزان توانایی و کارایی نیز توجه کند. در اصل باید یک تعادل منطقی بین قدرت بالا و مصرف کم به وجود بیاوریم. برای مثال در برخی از موارد این امر منطقی به نظر می رسد که در کامپیوتر خود از یک پردازنده چهار هسته ای استفاده کنیم . با وجود اینکه که این پردازنده مصرف انرژی بالایی دارد اما می توانید کارهای سنگینی را در مدت زمان کوتاهی با آن انجام دهید.
سرعت و پیچیدگی فزاینده طراحی‌های امروز افزایش قابل توجهی در مصرف توان چیپ‌های مجتمع مقیاس خیلی بزرگ (VLSI) را ایجاب می‌کند. برای پرداختن به این چالش، محققان تکنیک‌های طراحی بسیار متفاوتی ارائه کرده‌اند تا توان را کاهش دهند. پیچیدگی آی سی‌های امروزی، با بیش از ۱۰۰ میلیون ترانزیستور، با سنجش زمان بیش از ۱ گیگاهرتز، به معنی این است که بهینه سازی دستی توان بطور نامید کننده‌ای آهسته و با احتمال زیاد وقوع خطا می‌باشد.
یکی از ویژگی‌های کلیدی ای که منجر به موفقیت تکنولوژی نیمرسانای اکسید فلزی مکمل، یا CMOS، شد مصرف توان کم ذاتی آن بود. به این معنی که طراحان مدار و ابزارهای اتوماسیون طراحی الکترونیک می‌توانند روی بیشینه ساختن عملکرد مدار و کمینه نمودن فضای مدار تمرکز کنند. یکی دیگر از ویژگی‌های جالب تکنولوژی CMOS خواص مقیاس گذاری مطلوب آن است که اجازه یک کاهش ثابت در اندازه را می‌دهد ،که کار کردن با فرکانس ساعت بیشتر را برای سیستم‌های بسیار پیچیده تر روی تنها یک چیپ مقدور میسازد. نگرانی مصرف توان با پیدایش اولین سیستم‌های الکترونیکی قابل حمل در اواخر دهه ۱۹۸۰ پا به عرصه گذاشت. در این بازار عمر باتری یک عامل قطعی برای موفقیت تجاری محصول می‌باشد. یک واقعیت دیگر که تقریباً در همان زمان آشکار شد این بود که اجتماع فزاینده عوامل فعال بیشتر در هر ناحیه منجر به مصرف انرژی زیاد یک مدار مجتمع می‌شود. توان مصرفی بالا نه تنها به دلایل اقتصادی و محیطی نا مطلوب است بلکه مشکل اتلاف گرما را نیز بوجود می‌آورد. به منظور این که دستگاه تحت میزان دمای قابل قبولی در حال کار کردن نگاه داشته شود، گرمای زیاد ممکن است مستلزم سیستم‌های رفع گرمای گران قیمت باشد.
در واقع مصرف توان به عنوان یک عامل محدود کننده در مقیاس گذاری فناوری CMOS انگاشته می‌شود. برای پاسخ به این چالش تقریباً در دهه اخیر، تحقیق فشرده در توسعه ابزارهای طراحی به کمک کامپیوتر  شده است که اشاره به مسئله بهینه سازی توان دارد. تلاش‌های ابتدایی به مدار معطوف شده بودند امروزه بیشتر تحقیق حول سیستم یا بهینه سازی سطح معماری قرار می‌دهد که بطور بالقوه اثر کلی بیشتری با توجه به وسعت عملکرد آنها دارند.
فصل سوم- پیشینه تکنولوژی های طراحی شده برای کاهش توان مصرفی در مدارات مجتمع
۳-۱) تقویت کننده عملیاتی
ایده به کارگیری تقویت کننده‌های عملیاتی یا آپ امپ اولین بار در دهه ۱۹۴۰ میلادی و در مدار کامپیوترهای آنالوگ مطرح شد. در این کاربرد با قرار دادن عناصر مختلف بین سرهای ورودی و خروجی تقویت کننده عملیاتی مدارهای مختلف با کارایی‌های متفاوت طراحی می‌شد. با گسترش دامنه کاربرد الکترونیک، استفاده از تقویت کننده عملیاتی نیز توسعه فراوان یافت. در سال ۱۹۶۰ میلادی اولین بار تقویت کننده عملیاتی به صورت مدار مجتمع طراحی و ساخته شد و با حجم، وزن و قیمت به مراتب کمتر به بازار مصرف ارائه گردید. پیشرفت فناوری و مطرح شدن نیازهای متنوع تر و تخصصی تر، زمینه را برای عرضه تقویت کننده‌های عملیاتی خاص فراهم نمود. تقویت کننده عملیاتی در واقع یک تقویت کننده ولتاژ با بهره ولتاژ بسیار بالاست و معمولاً دارای یک سر خروجی و دو سر ورودی است که سرهای ورودی به صورت تفاضلی عمل می‌کنند. به عبارت دیگر این تقویت کننده اختلاف ولتاژ بین ورودی را تقویت می‌کند. این تقویت کننده دارای مقاومت خروجی بسیار کوچک حدود چند اهم بوده و ازمقاومت ورودی بسیار بالایی بیش از چند صد کیلو اهم برخوردار است. چون تقویت کننده عملیاتی یک قطعه فعال است برای تأمین انرژی مصرفی و بایاس ترانزیستورهای داخلی خود به تغذیه DC نیاز دارد.
همانطور که اشاره شد ، یک تقویت کننده عملیاتی ایده آل دارای خواص بهره ولتاژ بی نهایت ، مقاومت خروجی صفر ، مقاومت ورودی بی نهایت ، پهنای باند بی نهایت و ولتاژ انحراف از میزان ورودی آن صفر است.در حالی که هیچ‌یک از فرض‌های فوق با خواص تقویت کننده عملیاتی واقعی مطابقت کامل ندارد، اما نتایج به دست آمده از تجزیه و تحلیل مدارهای با مدل ایده‌آل، در فرکانس‌های پایین به نتایج واقعی بسیار نزدیک هستند.یک تقویت کننده عملیاتی شامل بلوک های تشکیل دهنده منابع جریان ، تقویت کننده تفاضلی ورودی ، تقویت کننده میانی ، مدارهای تغییر دهنده سطح DC و طبقه خروجی (تقویت کننده توان که معمولاً یک تقویت کننده پوش پول است).
تقویت کننده عملیاتی در عمل، نمی‌تواند دارای همه خصوصیات یاد شده در حالت ایده‌آل آن باشد. چرا که تقویت کننده عملیاتی، خود از به هم پیوستن چند طبقه تقویت کننده ترانزیستوری به وجود آمده‌ و ناگزیر دارای محدودیت‌هایی در بهره ولتاژ، مقاومت ورودی، جریان خروجی و… است. گرچه این‌گونه محدودیت‌ها که در تقویت کننده عملیاتی معمولی وجود دارند اساس طراحی‌های انجام شده بر مبنای حالت ایده‌آل را بر هم نمی‌زنند و فقط نتایج را با تقریب روبه رو می‌سازند، ولی تقویت کننده عملیاتی خاص با کارآیی بالا نیز در بازار یافت می‌شوند که در بعضی خصوصیت‌ها به وضعیت ایده‌آل بسیار نزدیک بوده و می‌تواند در طرح‌های ویژه به کار گرفته شوند. مثلاً تقویت کننده‌های عملیاتی ای ساخته می‌شوند که دارای سرعت زیاد، جریان خروجی زیاد و مقاومت ورودی بزرگ هستند. شناخت محدودیت‌های تقویت کننده عملیاتی واقعی نه تنها در درک عمیق تر عملکرد مدارهای طراحی شده با این تقویت کننده عملیاتی ما را یاری می‌کند، بلکه برای انتخاب تقویت کننده عملیاتی مناسب برای یک طرح مورد نظر نیز ضرورت دارد.
عمل تقویت کنندگی سیگنال ساده‌ترین کار در پردازش سیگنال است. چون مبدلها سیگنالهای ضیعفی بدست می‌دهند که ‌انرژی کمی‌ دارند و دامنه آنها حدود میکروولت یا میلی‌ولت است، بنابراین به تقویت نیاز دارند. چنین سیگنالهای کوچکی برای پردازش مناسب نیستند، چنانچه دامنه آنها بزرگتر شود، عمل پردازش آنها بسیار آسانتر صورت می‌گیرد. قسمتی که چنین کاری را انجام می‌دهد، تقویت کننده سیگنال نامیده می‌شود.
۳-۲) اهمیت توان در مدارات مجتمع
کاهش توان مصرفی سبب خنک تر ماندن چیپ خواهد شد که این امر سبب افزایش عمر آن خواهد بود.
ایمن سازی چیپ در مقابل نویز
افزایش عمر باتری
ملاحظات محیطی( حرارت )
۳-۳) مصرف توان در مدارات الکترونیکی را می توان به سه دسته زیر تقسیم کرد:
Dynamic Power Consumption
مصرف توان جهت انتقال بار توسط گیتهای منطقی به منظور شارژ و دشارژ خازن بار
Short-circut current
Nmos و Pmos ها به علت وجود گیت های منطقی لحظه به لحظه در حالت اتصال کوتاه قرار می گیرند.این امر سبب اتلاف توان خواهد شد.
Leakage current
این توان مصرفی مربوط به لحظاتی است که سیستم در حالت آماده باش(standby) قرار دارد.در ماسفت ها منابع زیادی وجو دارند که سبب نشت جریان می شوند.نشت دیودی در ترانزیستور ، چاهn (n-well) ، نشت زیر آستانه ،نشت گیت ، جریانهای تونلی و غیره.
۳-۴) تکنیک های کاهش توان مصرفی
برای طراحی مدارات مجتمع به منظور دستیابی به توان مصرفی کمتر باید موارد زیر را لحاظ کنیم:
سیستم(system) که شامل دو بخش اصلی:
جداسازی و تفکیک اجزا(partitioning)
کاهش توان (power down)
الگوریتم (algoritm) که شامل سه بخش اصلی:
پیچیدگی (complexity)
همزمانی (concurrency)