У статті висвітлено підходи до реалізації сигнального перетворювача фотодіодних сенсорних пристроїв у межах концепції програмованих систем на кристалі (ПСнК), що є важливим напрямом розвитку сучасних сенсорних технологій. Детально проаналізовано можливості SPICE-моделювання для дослідження параметрів фотодіодів і компонентів аналогового фронт-енду, що дозволяє досягти високої точності аналізу та оптимізації сигнальних перетворювачів. Відмінною особливістю запропонованих моделей є врахування впливу паразитних параметрів фотодіодів, таких як паразитна ємність і опір, які є суттєвими джерелами спотворень під час перетворення сигналів. У роботі також досліджено вплив температурної нестабільності, яка негативно позначається на працездатності сенсорних пристроїв та обмежує їх ефективність у реальних умовах експлуатації. Розроблені моделі забезпечують глибоке розуміння механізмів впливу цих факторів на стабільність і точність роботи сигнальних ланцюгів. У статті запропоновано методики параметричного аналізу сигнальних перетворювачів, що дозволяють не лише оцінити вплив змін параметрів компонентної бази, але й встановити основні закономірності виникнення похибок на різних етапах сигнального перетворення. Проведено серію SPICE-симуляцій, які демонструють залежність частотних характеристик, часової стабільності та енергоефективності від змін параметрів елементів. Особливу увагу приділено аналізу конструктивних особливостей фотодіодів та характеристик операційних підсилювачів, які є невід’ємною частиною сигнального тракту. Отримані результати підтверджують, що використання розроблених моделей у поєднанні з SPICE-моделюванням відкриває можливості для оптимізації параметрів сигнальних перетворювачів. Це дозволяє досягти мінімізації впливу паразитних факторів і забезпечити стабільну роботу сенсорних пристроїв навіть у складних умовах експлуатації, таких як коливання температури або вплив електромагнітних завад. Результати роботи мають практичне значення, оскільки дозволяють інтегрувати розроблені моделі у процес створення енергоефективних пристроїв, що є ключовими елементами Інтернету речей. Це сприяє підвищенню конкурентоспроможності таких рішень на ринку завдяки покращенню їх точності, надійності, стабільності та здатності функціонувати в умовах реальних експлуатаційних обмежень.
[1]. Xu, W., Chen, J., Kuang, Z., Zhou, L., Chen, M. and Zhang, C. (2022) 'A low-power high-quality CMOS image sensor using 1.5 V 4T pinned photodiode and dual-CDS column-parallel single-slope ADC', Journal of Semiconductors, 43(8), p. 082401. doi: 10.1088/1674-4926/43/8/082401.
[2]. Mohan, N., Awwad, F., Albastaki, N. and Atef, M. (2024) 'A Low-Power High-Sensitivity Photocurrent Sensory Circuit with Capacitive Feedback Transimpedance for Photoplethysmography Sensing', Sensors, 24(13), p. 4097. doi: 10.3390/s24134097.
[3]. Masnad, M.M., Safaee, S.M.R., Najeeb, N., Mojaver, K.R., Fouda, M., Peinke, E. та Liboiron-Ladouceur, O. (2024) 'Scalable Photonic Digital-to-Analog Converters', Photonics, 11(2), с. 112. doi: 10.3390/photonics11020112.
[4]. R. Lin, J. Tsai, D. Buso and G. Zissis, "OLED equivalent circuit model with temperature coefficient and intrinsic capacitor," 2014 IEEE Industry Application Society Annual Meeting, 2014, pp. 1-8, doi: 10.1109/IAS.2014.6978436.
[5]. Barylo, G.I., Boyko, O.V., Gelzynskyy, I.I., Holyaka, R.L. Khilchuk, M.V. (2022) 'Programmable Mixed Signal Front-End for Sensor Applications', Proceedings of the 2022 IEEE 16th International Conference on Computer Sciences and Information Technologies (CSIT), Lviv-Slavske, Ukraine, pp. 482–485. doi: 10.1109/TCSET55632.2022.9766863.
[6]. Al-Ahdal, A., Al-Ahdal, A., Al-Sarawi, S. та Abbott, D. (2019) 'Modeling and simulation of temporal and temperature drift for the development of an accurate ISFET SPICE macromodel', Journal of Computational Electronics, 18(4), с. 1234–1244. doi: 10.1007/s10825-019-01425-0.
[7]. Bendre, V.S. та Kureshi, A.K. (2017) 'An Overview of Negative Feedback Compensation Techniques for Operational Transconductance Amplifiers', 2017 International Conference on Computing, Communication, Control and Automation (ICCUBEA), Pune, India, pp. 1–6. doi: 10.1109/ICCUBEA.2017.8463683.
[8]. Zhang, L., Yamashita, T., Crook, M., Warburton, R. та Hadfield, R.H. (2018) 'Optical Transition Edge Sensors: Wavelength Dependence of Energy Resolution', 2018 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), Paris, France, pp. 1–2. doi: 10.1109/CPEM.2018.8501179.
[9]. Gajare, M., Shedge, D.K. та Itole, D. (2021) 'CMOS Transimpedance Feedback Amplifier Design using Unity Gain Differential Amplifiers', 2021 International Conference on Emerging Smart Computing and Informatics (ESCI), Pune, India, pp. 1–5. doi: 10.1109/ESCI50559.2021.9396931.
[10]. Achtenberg, M., Mikołajczyk, J., Wróbel, Z. та Wójcik, M. (2021) 'Low-frequency noise measurements of IR photodetectors with voltage cross-correlation system', Measurement, 182, 109867. doi: 10.1016/j.measurement.2021.109867.
[11]. Barylo, H., Boyko, O., Helzhynskyy, I., Holyaka, R., Marusenkova, T. та Ivakh, M. (2021) 'Universal hardware and software system of signal converting for integrated sensor devices implementation', Proceedings of the 2021 IEEE 16th International Conference on the Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics (CADSM), Lviv, Ukraine, pp. 58–62. doi: 10.1109/CADSM52681.2021.9385254.
[12]. Jung, W. (2015) 'A SPICE op amp macromodel', у Analog Circuit Design. Elsevier, с. 967–968. doi: 10.1016/B978-0-12-800001-4.00452-X.