SPIS TREŚCI
- Co to jest czujnik obrazu CMOS?
- Różne rodzaje
- Zasada działania
- Projektowanie
- Architektura
Okładka według - Zacha Dischnera, Ozdoba na biurko Nerd-Tographer (9698639550), CC BY 2.0
Co to jest czujnik obrazu CMOS?
Przetwornik obrazu i koloru CMOS:
Komplementarne czujniki obrazu półprzewodnikowego tlenku metalu (CMOS) składają się z fotodiod z obwodami sygnałów mieszanych, które mają zdolność wzmacniania małych prądów fotoprądowych do sygnałów cyfrowych. Czujnik obrazu CMOS jest jednym z najlepszych urządzeń do wielu zastosowań związanych z fotografią, np. Cyfrowych kamer wideo, skanerów fotograficznych, kserokopiarki, drukowania i wielu innych. CMOS są obecnie wykorzystywane ze względu na ich wielokrotne zastosowanie i jest to prosta technika wytwarzania, nawet przy ograniczonej czułości w porównaniu z przetwornikami CCD.
Omówiono trzy typy topologii czujników koloru CMOS, a mianowicie wzmacniacz transimpedancyjny (TIA), przetwornik światła na częstotliwość i całkowanie światła.
Źródło zdjęcia: Filia1, Matryca, CC BY-SA 3.0
Zasada działania czujnika obrazu CMOS:
Ogólnie dostępne są cztery rodzaje procedur
- Standardowy CMOS,
- CMOS z mieszanym sygnałem analogowym,
- Cyfrowy CMOS i
- Przetwarzanie czujnika obrazu CMOS.
Najbardziej oczywistą różnicą między tym procesem a innymi procesami jest dostępność urządzeń fotograficznych, takich jak fotodioda przypięta. Zalety technologii mniejszych wymiarów to mniejszy piksel, wysoka rozdzielczość przestrzenna i mniejsze zużycie energii. Technologia niższa niż 100 nm wymaga modyfikacji procesu wytwarzania (nie podążając za cyfrową mapą drogową) i architektury pikseli.
Podstawowe parametry, takie jak prąd upływu (wpłynie na czułość na światło) i napięcie robocze (wpłynie na zakres dynamiczny, tj. Nasycenie, przypięta fotodioda najprawdopodobniej nie będzie działać przy niskim napięciu, są bardzo ważne, gdy proces jest wybrany do rozwoju CIS. Ze względu na te ograniczenia wprowadzono nową technikę obwodu:
1. Stary obwód, taki jak standardowy obwód pikseli, nie może być używany przy użyciu 0.1 mikrona i mniej. Wynika to z topologii, która wymaga wysokiego napięcia; ponieważ maksymalne napięcie zasilania jest teraz niższe.
2. Obwód kalibracyjny i obwód kasujący są zwykle używane do redukcji szumów.
Aby zwiększyć rozdzielczość do wielu megapikseli i setek klatek na sekundę, zwykle wybiera się technologię niższych wymiarów. Najwyraźniej donoszono, że 0.13 mikrona i 0.18 mikrona są wystarczająco dobre, aby uzyskać dobrą wydajność obrazowania.
Te modyfikacje procesu CMOS rozpoczęto przy 0.25 mikrona i poniżej, aby poprawić ich właściwości obrazowania. Ponieważ skalowanie procesu będzie znacznie niższe niż 0.25 mikrona i poniżej, kilka podstawowych parametrów jest degradowanych, a mianowicie fotoreaktywność i prąd ciemny. Dlatego modyfikacje koncentrują się na łagodzeniu tych degradacji parametrów. Wymagania systemowe (takie jak napięcie zasilania i temperatura) są również jednym z kryteriów wyboru odpowiedniego procesu.
Cena narzędzia i koszty rozwoju będą również determinować wybór procesu.
Urządzenia Photo Detetor
Typowy urządzenia fotodetektora to fotodioda i fototranzystor. Typowe urządzenia fotodiodowe to N+/Psub, P+/N_well, N_well/Psub i P+/N_well/Psub (dioda back-to-back) [9]. Urządzenia fototranzystorowe to P+/n_well/Psub (tranzystor pionowy), P+/N_well/P+ (tranzystor boczny) i N_well/gate (fototranzystor powiązany).
Te standardowe urządzenia fotograficzne nadal wymagają mikrosoczewki i zestawu filtrów kolorów. Wydajność kwantowa fotodiod w standardowym CMOS wynosi zwykle poniżej 0.3.
Urządzenia, które są zwykle opracowywane dla zmodyfikowanego procesu CMOS to fotobramka, fotodioda kołkowa i bezpostaciowa dioda krzemowa. Urządzenia te poprawią czułość CIS. Fotodioda przypięta, która ma niski prąd ciemny, zapewnia dobre właściwości obrazowania dla CIS.
Fotourządzenia wykazują pasożytniczą pojemność, którą należy wziąć pod uwagę podczas projektowania. Przykład pasożytniczej pojemności N_well / Psub to:
C = (pojemność na obszar) × obszar urządzenia fotograficznego.
Metodologia projektowania czujników obrazu CMOS:
Poniżej przedstawiono typowy przepływ projektowy czujnika obrazu CMOS.
Symulację propagacji fali można przeprowadzić na potrzeby symulacji optyki. Dostępne na rynku technologie wspomagane komputerowo narzędzia do projektowania, takie jak firmy Synopsys i Silvaco, mogą zostać wykorzystane do symulacji procesu lub technologii urządzeń fotograficznych. Istnieje praca (symulacja w trybie mieszanym), która łączy technologię wspomaganego komputerowo projektowania i symulacji na poziomie pikseli.
Dostępnych jest wiele narzędzi automatyzacji projektowania elektronicznego do symulacji elektrycznych pikseli, te narzędzia automatyzacji projektowania elektronicznego są podobne do każdego układu scalonego (IC) narzędzie do projektowania, takie jak Spectre, SPICE, Verilog-A i Verilog. Narzędzia te mogą czasami być czasochłonne, jeśli liczba pikseli jest duża.
Rzeczywiście, jeśli wymagane są duże piksele wraz z głębokim procesem submikronowym, należy zapewnić większy kapitał (koszt narzędzi jest wyższy dla bardzo głębokich submikronów, zwłaszcza poniżej 90 nm). Mimo że odlewnia CMOS dostarcza modele dla obsługiwanych narzędzi projektowych, czasami projektanci nadal muszą samodzielnie modelować podblok, aby dopasować go do specyfikacji CIS. Może to przyspieszyć czas symulacji elektrycznej piksela, jednak pogorszy to dokładność. Do symulacji systemu można wykorzystać VHDL-AMS, System-C lub MATLAB do przewidywania ogólnej funkcji i wydajności.
Architektura przetwornika obrazu CMOS:
Poziom pikseli ADC – cyfrowy Czujnik pikseli (DPS) oferuje szeroki zakres dynamiki. DPS konwertuje wartości analogowe na sygnał cyfrowy w zakresie pikseli. Przetwarzanie można również wykonać na poziomie pikseli.
Układ ADC na poziomie chipa - ADC na poziomie chipa lub czasami ADC na poziomie matrycy przedstawiono na rysunku poniżej.
ADC dla tej topologii musi być bardzo szybki, ta topologia również zużywałaby bardzo duży prąd. Typ ADC odpowiedni dla topologii CIS to ADC potokowy. Jednak w projekcie CIS odnotowano również kolejny rejestr aproksymacyjny (SAR) i ADC typu flash. Dlatego niezbędna jest równowaga między niezbędnym całkowitym poborem mocy a szybkością działania.
Cyfrowy czujnik pikseli - koncepcja DPS jest podobna do rozwiązania stosowanego w układzie CMOS neuron-bodziec. Liczby DPS są przydatne do kompresji na chipie. Fotodioda służy do rozładowania pojemności wejściowej komparatora i samej fotodiody. Rozładowuje się proporcjonalnie do natężenia światła. Kiedy to osiągnie próg, zostanie wyzwolone O / P komparatora.
Technika niskiego zużycia energii w przetworniku obrazu CMOS:
Metoda biasingu: region podprogowy lub słaba polaryzacja inwersyjna jest jednym z podejść do osiągnięcia niskiego poboru prądu. Ta technika może być zastosowana do operacyjnej transkonduktancji wzmacniacz (OTA) lub wzmacniacz do ADC. W celu dalszego zmniejszenia zużycia energii można również zastosować polaryzację regionu triody.
Technika obwodu: Zatrzask regeneracyjny może być użyty do zmniejszenia cyfrowego zużycia energii. Zmniejszenie/skalowanie kondensatory w etapach rurociągu (dla ADC) może również zmniejszyć zużycie energii.
Zaawansowana technika zarządzania energią: inny rodzaj polaryzacji lub techniki obwodu, „inteligentne” podejście, takie jak zbieranie energii słonecznej, można również zastosować w celu zmniejszenia zużycia energii. Możemy też selektywnie WŁĄCZYĆ tylko wymagany obwód odczytowy. Piksele można również okresowo aktywować, aby jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie energii.
Techniki niskiego poziomu szumów w przetworniku obrazu CMOS:
Na poziomie pikseli: szum termiczny można zredukować przez skorelowane podwójne próbkowanie i nadpróbkowanie. Szum migotania jest redukowany przez użycie dużego urządzenia, okresowo polaryzującego tranzystor i odpowiedniego polaryzacji napięcia podłoża PMOS.
Poziom kolumny: Kalibracja poza układem scalonym może służyć do redukcji szumu stałego wzorca. Kalibracja jest wykonywana, aby wybrać odpowiedni kondensator wagi w ADC SAR.
Poziom ADC: Szum kT / C jest redukowany poprzez wybranie odpowiedniej wartości Cf i Cs obwodu S / H i bufora.
Poziom fotodiody: wysokie wzmocnienie konwersji pomaga zredukować szum wejściowy.
Więcej artykułów związanych z elektroniką kliknij tutaj
Cześć, jestem Soumali Bhattacharya. Zrobiłem magisterium z elektroniki.
Obecnie inwestuję w elektronikę i komunikację.
Moje artykuły skupiają się na głównych obszarach podstawowej elektroniki w bardzo prostym, ale pouczającym podejściu.
Jestem żywym uczniem i staram się być na bieżąco ze wszystkimi najnowszymi technologiami w dziedzinie elektroniki.
Połączmy się poprzez LinkedIn –