低通滤波器之VLS架构的设计与实现-电子技术方案|电路图讲解
第一章 緒論
影像有時候會出現干擾的現象，稱為雜訊(noise)。由於雜訊的性質不同，導致去除雜訊的方法也不盡相同。這邊我們假設雜訊的狀況為干擾亮點，此一雜訊屬於高頻的雜訊，因此利用低通濾波器來使雜訊模糊化，藉此達到去除雜訊的效果。
1.1 研究背景與動機
雜訊的本意是對外界干擾的總稱。何謂影像的雜訊呢？例如由於電視天線狀況不佳導致影像接收不好，這又可分為兩類，其一是收視的影像本身出現扭曲、歪斜或者是模糊不清等情況。其二是影像上面出現各種形式的干擾斑點、條紋等。後一種干擾稱之為影像的雜訊(noise)。
由於雜訊的性質不同，導致去除雜訊的方法也不盡相同。那麼，如何從一幅有雜訊的影像中把雜訊除去呢？這是本篇研究的主題。我們的目的是要把干擾的雜訊除去，得到清晰的影像。
因此我們可以把有雜訊干擾的影像放大觀察後，可以知道，雜訊的濃度與其四周像素(pixel)的濃度間，存在著很大的濃度差。正是這種急遽變化的濃度差，使人覺得刺眼，利用雜訊的這種性質除去雜訊的方法，一般稱之為平滑化(smoothing)。但影像的邊界部份也有急遽變化的濃度差。如何將邊界與雜訊恰當的分離開來，只除去雜訊部份，這也是需要注意的地方。
1.2 數位影像類型簡介
基礎的影像類型有四種，這邊作個簡單的介紹。
1.二元數位影像(binary) 每一個像素不是黑就是白。由於像素只有兩種可能值，因此每個像素只需1位元，這種影像的儲存效率很高。
2.灰階影像(grayscale) 每一個像素都是灰色，只是深淺不同，一般來說範圍從0(黑)到255(白)。由此可知每個像素需要8位元來表示。
3.全彩或RGB影像(true color) 每一個像素都有自己的顏色，這個顏色是由不同比例的紅，綠，藍調配而成。且每個原色深淺範圍也各都是0-255。因為每個像素需要使用24位元，所以這種影像又稱為24位元彩色影像(24-bit color image)。
4.索引影像(indexed) 大部分影像集中在某一部分，為了方便儲存及處理，於是建立相對應的色譜(colormap)或調色盤(color palette)，每個像素的值僅代表著色譜上對應顏色的索引(index)。
第二章 421濾波器及演算法
我們可以透過對像素執行特定函數運算來修正影像。對於四周的部份(臨域)也可以使用同樣的方式去運算。主要的概念便是將遮罩覆蓋到指定的影像上面。如此一來，便會如圖2.1所示，產生一個新的影像，該影像的像素值則是根據遮罩下的像素值運算而來。而遮罩與函數的結合便稱之為濾波器(filter)。
濾波器的運算大致來說可分為三個步驟：
1.將遮罩置於指定像素上。
2.將濾波器的所有元素與臨域相對應的像素相乘。
3.將上述乘法的結果相加後計算平均值。
影像中的所有像素都需重覆此一運算。
(a)3x3遮罩器 (b)指定像素
(c)遮罩示意圖
圖2.1 遮罩器與指定像素
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1 引言
静电放电会给电子器件带来破坏性的后果，它是造成集成电路失效的主要原因之一。随着集成电路工艺不断发展，CMOS电路的特征尺寸不断缩小，管子的栅氧 厚度越来越薄，芯片的面积规模越来越大，MOS管能承受的电流和电压也越来越小，而外围的使用环境并未改变，因此要进一步优化电路的抗ESD性能，如何使 全芯片有效面积尽可能小、ESD性能可靠性满足要求且不需要增加额外的工艺步骤成为IC设计者主要考虑的问题。
2 ESD保护原理
ESD保护电路的设计目的就是要避免工作电路成为ESD的放电通路而遭到损害，保证在任意两芯片引脚之间发生的ESD，都有适合的低阻旁路将ESD电流 引入电源线。这个低阻旁路不但要能吸收ESD电流，还要能箝位工作电路的电压，防止工作电路由于电压过载而受损。在电路正常工作时，抗静电结构是不工作 的，这使ESD保护电路还需要有很好的工作稳定性，能在ESD发生时快速响应，在保护电路的同时，抗静电结构自身不能被损坏，抗静电结构的负作用(例如输 入延迟)必须在可以接受的范围内，并防止抗静电结构发生闩锁。
3 CMOS电路ESD保护结构的设计
大部分的ESD电流来自电路外部，因此ESD保护电路一般设计在PAD旁，I/O电路内部。典型的I/O电路由输出驱动和输入接收器两部分组成。ESD 通过PAD导入芯片内部，因此I/O里所有与PAD直接相连的器件都需要建立与之平行的ESD低阻旁路，将ESD电流引入电压线，再由电压线分布到芯片各 个管脚，降低ESD的影响。具体到I/O电路，就是与PAD相连的输出驱动和输入接收器，必须保证在ESD发生时，形成与保护电路并行的低阻通路，旁路 ESD电流，且能立即有效地箝位保护电路电压。而在这两部分正常工作时，不影响电路的正常工作。
常用的ESD保护器件有电阻、二极管、双极性晶体管、MOS管、可控硅等。由于MOS管与CMOS工艺兼容性好，因此常采用MOS管构造保护电路。
CMOS工艺条件下的NMOS管有一个横向寄生n-p-n(源极-p型衬底-漏极)晶体管，这个寄生的晶体管开启时能吸收大量的电流。利用这一现象可在 较小面积内设计出较高ESD耐压值的保护电路，其中最典型的器件结构就是栅极接地NMOS(GGNMOS，GateGroundedNMOS)。
在正常工作情况下，NMOS横向晶体管不会导通。当ESD发生时，漏极和衬底的耗尽区将发生雪崩，并伴随着电子空穴对的产生。一部分产生的空穴被源极吸 收，其余的流过衬底。由于衬底电阻Rsub的存在，使衬底电压提高。当衬底和源之间的PN结正偏时，电子就从源发射进入衬底。这些电子在源漏之间电场的作 用下，被加速，产生电子、空穴的碰撞电离，从而形成更多的电子空穴对，使流过n-p-n晶体管的电流不断增加，最终使NMOS晶体管发生二次击穿，此时的 击穿不再可逆，则NMOS管损坏。
为了进一步降低输出驱动上NMOS在ESD时两端的电压，可在ESD保护器件与GGNMOS之间加一个电阻。这个电阻不能影响工作信号，因此不能太大。画版图时通常采用多晶硅(poly)电阻。
只采用一级ESD保护，在大ESD电流时，电路内部的管子还是有可能被击穿。GGNMOS导通，由于ESD电流很大，衬底和金属连线上的电阻都不能忽 略，此时GGNMOS并不能箝位住输入接收端栅电压，因为让输入接收端栅氧化硅层的电压达到击穿电压的是GGNMOS与输入接收端衬底间的IR压降。为避 免这种情况，可在输入接收端附近加一个小尺寸GGNMOS进行二级ESD保护，用它来箝位输入接收端栅电压，如图1所示。
图1 常见ESD的保护结构和等效电路。
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