Design of boundary-scan testing in CMOS image sensors for industrial applications: internship repor

Tests on printed circuit boards and integrated circuits are widely used in industry,resulting in reduced design time and cost of a project. The functional and connectivity tests in this type of circuits soon began to be a concern for the manufacturers, leading to research for solutions that would allow a reliable, quick, cheap and universal solution. Initially, using test schemes were based on a set of needles that was connected to inputs and outputs of the integrated circuit board (bed-of-nails), to which signals were applied, in order to verify whether the circuit was according to the specifications and could be assembled in the production line. With the development of projects, circuit miniaturization, improvement of the production processes, improvement of the materials used, as well as the increase in the number of circuits, it was necessary to search for another solution. Thus Boundary-Scan Testing was developed which operates on the border of integrated circuits and allows testing the connectivity of the input and the output ports of a circuit. The Boundary-Scan Testing method was converted into a standard, in 1990, by the IEEE organization, being known as the IEEE 1149.1 Standard. Since then a large number of manufacturers have adopted this standard in their products. This master thesis has, as main objective: the design of Boundary-Scan Testing in an image sensor in CMOS technology, analyzing the standard requirements, the process used in the prototype production, developing the design and layout of Boundary-Scan and analyzing obtained results after production. Chapter 1 presents briefly the evolution of testing procedures used in industry, developments and applications of image sensors and the motivation for the use of architecture Boundary-Scan Testing. Chapter 2 explores the fundamentals of Boundary-Scan Testing and image sensors, starting with the Boundary-Scan architecture defined in the Standard, where functional blocks are analyzed. This understanding is necessary to implement the design on an image sensor. It also explains the architecture of image sensors currently used, focusing on sensors with a large number of inputs and outputs.Chapter 3 describes the design of the Boundary-Scan implemented and starts to analyse the design and functions of the prototype, the used software, the designs and simulations of the functional blocks of the Boundary-Scan implemented. Chapter 4 presents the layout process used based on the design developed on chapter 3, describing the software used for this purpose, the planning of the layout location (floorplan) and its dimensions, the layout of individual blocks, checks in terms of layout rules, the comparison with the final design and finally the simulation. Chapter 5 describes how the functional tests were performed to verify the design compliancy with the specifications of Standard IEEE 1149.1. These tests were focused on the application of signals to input and output ports of the produced prototype. Chapter 6 presents the conclusions that were taken throughout the execution of the work.

Conversores DC-DC comutados de elevado rendimento para sensores de imagem

Nesta tese de mestrado em engenharia telecomunicações e redes de energia, fez-se um estudo sobre conversores DC-DC comutados de elevado rendimento para sensores de imagem. Onde o principal objetivo é que se desenvolva, em ambiente industrial, um conversor DC-DC de alto rendimento que seja capaz de criar uma tensão inferior à sua alimentação. De salientar que o conversor foi implementado, quase na totalidade, sob a forma de circuito integrado, na tecnologia CMOS 0,35 μm. A implementação deste trabalho foi realizada por meio de um estágio na empresa de sensores de imagem Awaiba. No desenvolvimento do conversor DC-DC inicializou-se o estudo com um regulador de condensadores comutados, com uma arquitetura simples, em que se verificou, através de simulações realizadas num software específico para circuitos integrados - Design Arquitect-IC, que este regulador, apesar de estabilizar a tensão de saída na pretendida, não apresentava alto rendimento, ficando pelos 62%. Na sequência do estudo, na tentativa de melhorar as características do regulador de condensadores comutados, desenvolveu-se um conversor DC-DC com um filtro passa baixo na saída. Verificou-se, através de simulação que este conversor apresentava um rendimento de 92%, onde a sua tensão de alimentação é de 3,3 V e consegue regular na sua saída uma tensão variável entre 1,4 V e 2,2 V, suportando uma corrente máxima de 200 mA. É de referir que o conversor desenvolvido apresenta um tempo de resposta de 20 μs quando ocorre um consumo de corrente com variação em escalão. Sendo um conversor adequado para alimentar sensores de imagem e com elevado rendimento.

Sincronização de múltiplas câmaras e controlo de iluminação sobre uma plataforma FPGA

O objetivo deste projeto foi o de realizar a sincronização de pelo menos quatro câmaras individuais, ajustando dinamicamente o frame rate de operação de cada câmara, tendo por base a família de sensores de imagem CMOS NanEye da empresa Awaiba, numa plataforma FPGA com interface USB3. Durante o projeto analisou-se, com a assistência de um supervisor da Awaiba, o sistema core de captura de imagem existente, baseado em VHDL. Foi estudado e compreendido o princípio do ajuste dinâmico do frame rate das câmaras. Tendo sido então desenvolvido o módulo de controlo da câmara, em VHDL, e um algoritmo de ajuste dinâmico do frame rate, sendo este implementado junto com a plataforma de processamento e interface da FPGA. Foi criado um módulo para efetuar a monitorização da frequência de operação de cada câmara, medindo o período de cada linha numa frame, tendo por base um sinal de relógio de valor conhecido. A frequência é ajustada variando o nível de tensão aplicado ao sensor com base no erro entre o período da linha medido e o período pretendido. Para garantir o funcionamento conjunto de múltiplas câmaras em modo síncrono foi implementada uma interface Master-Slave entre estas. Paralelamente ao módulo anteriormente descrito, implementou-se um sistema de controlo automático de iluminação com base na análise de regiões de interesse em cada frame captada por uma câmara NanEye. A intensidade de corrente aplicada às fontes de iluminação acopladas à câmara é controlada dinamicamente com base no nível de saturação dos pixéis analisados em cada frame. Foram desenvolvidas e implementadas variantes do algoritmo de controlo e o seu desempenho foi avaliado em laboratório. Os resultados obtidos na prática evidenciam que a solução implementada cumpre os requisitos de controlo e ajuste da frequência de operação de múltiplas câmaras. Mostrou ser um método de controlo capaz de manter um erro de sincronização médio de 3,77 μs mesmo na presença de variações de temperatura de aproximadamente 50 °C. Foi também demonstrado que o sistema de controlo de iluminação é capaz de proporcionar uma experiência de visualização adequada, alcançando erros menores que 3% e uma velocidade de ajuste máxima inferior a 1 s.