OBSAH
- Co je to obrazový snímač CMOS?
- Odlišné typy
- Pracovní princip
- Projektování
- Architektura
Titulní obrázek - Zach Dischner, Stolní ozdoba Nerd-Tographer (9698639550), CC BY 2.0
Co je to obrazový snímač CMOS?
Obrazový a barevný snímač CMOS:
Doplňkové obrazové snímače polovodičů na bázi oxidu kovu (CMOS) se skládají z fotodiod a obvodů se smíšeným signálem, které umožňují zesílit malé fotoproudy na digitální signály. Obrazový snímač CMOS je jedním z nejlepších nástrojů pro více aplikací souvisejících s fotografováním, tj. Digitální videokamery, skenery fotografií, zařízení Xerox, tisk a různé další. CMOS se dnes používají kvůli jeho mnohonásobnému použití a je to jednoduchá technika výroby i při zachování citlivosti ve srovnání s CCD.
Jsou diskutovány tři typy topologie barevných snímačů CMOS, jmenovitě transimpedanční zesilovač (TIA), převodník světla na frekvenci a integrace světla.
Kredit obrázku: Filya1, Matrixw, CC BY-SA 3.0
Pracovní princip obrazového snímače CMOS:
Obecně jsou k dispozici čtyři typy postupů
- Standardní CMOS,
- Analogový smíšený signál CMOS,
- Digitální CMOS a
- Procesy obrazového snímače CMOS.
Nejviditelnějším rozdílem mezi tímto procesem a ostatními procesy je dostupnost fotografických zařízení, například připnuté fotodiody. Mezi výhody technologie menších rozměrů patří menší pixely, vysoké prostorové rozlišení a nižší spotřeba energie. Technologie nižší než 100 nm vyžaduje úpravu výrobního procesu (nenásledující digitální cestovní mapu) a architektury pixelů.
Základní parametry, jako je svodový proud (ovlivní citlivost na světlo) a provozní napětí (ovlivní dynamický rozsah, tj. Sytost, připnutá fotodioda pravděpodobně nebude fungovat při nízkém napětí, jsou velmi důležité, když je proces pro vývoj CIS. Z důvodu těchto omezení byla zavedena nová obvodová technika:
1. Starý obvod, například standardní obvod obrazových bodů, nelze použít při použití 0.1 mikronu a nižších. To je způsobeno topologií, která vyžaduje vysoké napětí; protože maximální napájecí napětí je nyní nižší.
2. Kalibrační obvod a obvod zrušení se obvykle používají ke snížení šumu.
Aby bylo možné zvýšit rozlišení na více megapixelů a stovky snímků za sekundu, je obvykle vybrána technologie s nižší dimenzí. Je zřejmé, že bylo hlášeno, že 0.13 mikronu a 0.18 mikronu jsou dostatečně dobré pro dosažení dobrého zobrazovacího výkonu.
Tyto úpravy procesu CMOS začaly na 0.25 mikronu a níže, aby se zlepšily jejich zobrazovací vlastnosti. Jelikož škálování procesu bude mnohem nižší než 0.25 mikronu a méně, degraduje se několik základních parametrů, jmenovitě fotoodezva a temný proud. Proto jsou úpravy zaměřeny na zmírnění těchto degradací parametrů. Jedním z kritérií při výběru vhodného procesu jsou také systémové požadavky (například napájecí napětí a teplota).
Cena procesu a náklady na vývoj budou také určovat výběr procesu.
Zařízení pro detekci fotografií
Typický fotodetekční zařízení jsou fotodiody a fototranzistor. Typická fotodiodová zařízení jsou N+/Psub, P+/N_well, N_well/Psub a P+/N_well/Psub (dioda back-to-back) [9]. Fototranzistorová zařízení jsou P+/n_well/Psub (vertikální tranzistor), P+/N_well/P+ (laterální tranzistor) a N_well/gate (vázaný fototranzistor).
Tato standardní fotografická zařízení stále vyžadují mikroobjektiv a sadu barevných filtrů. Kvantová účinnost fotodiod ve standardním CMOS je obvykle nižší než 0.3.
Zařízení, která jsou normálně vyvíjena pro modifikovaný proces CMOS, jsou fotográty, připnutá fotodioda a amorfní křemíková dioda. Tato zařízení zlepší citlivost CIS. Přichycená fotodioda, která má nízký temný proud, nabízí dobré zobrazovací vlastnosti pro CIS.
Fotozařízení vykazují parazitní kapacitu, která by měla být zohledněna během procesu návrhu. Příkladem parazitní kapacity N_well / Psub je:
Cfotografie = (kapacita na plochu) × plocha fotozařízení.
Metodika návrhu obrazových senzorů CMOS:
Typický designový tok obrazového snímače CMOS je uveden níže.
Pro simulaci optiky lze provést simulaci šíření vln. Ke simulaci procesu nebo technologie fotopřístrojů lze použít komerčně dostupné technologické návrhové nástroje podporované počítačem, například od společností Synopsys a Silvaco. Existuje dílo (simulace ve smíšeném režimu), které kombinuje technologický počítačový design a simulaci na úrovni pixelů.
Existuje mnoho nástrojů pro automatizaci elektronického návrhu pro elektrickou simulaci pixelů, tyto nástroje pro automatizaci elektronického návrhu jsou podobné jakémukoli integrovanému obvodu (IC) návrhový nástroj, jako je přízrak, SPICE, Verilog-A a Verilog. Tyto nástroje mohou být někdy časově náročné, pokud je počet pixelů velký.
Ve skutečnosti, pokud jsou vyžadovány velké pixely spolu s procesem hlubokého submikronu, je třeba poskytnout více kapitálu (náklady na nástroje jsou dražší pro velmi hluboký submikron, zejména pod 90 nm). I když slévárna CMOS poskytuje modely pro podporované návrhové nástroje, návrháři stále musí modelovat dílčí blok sami, aby vyhovovali specifikaci CIS. To může zrychlit čas elektrické simulace pixelu, ale tím se sníží přesnost. Pro simulaci systému lze k předpovědi celkové funkce a výkonu použít VHDL-AMS, System-C nebo MATLAB.
Architektura obrazového snímače CMOS:
Úroveň pixelů ADC – digitální pixelový snímač (DPS) nabízí široký dynamický rozsah. DPS převádí analogové hodnoty na digitální signál v rozsahu pixelů. Zpracování lze také provést na úrovni pixelů.
Úroveň čipu ADC - Na obrázku níže je znázorněn ADC na úrovni čipu nebo někdy na úrovni matice.
ADC pro tuto topologii musí být velmi rychlý, tato topologie by také spotřebovala velmi vysoký proud. Typ ADC vhodný pro topologii CIS je pipeline ADC. V návrhu CIS však byly také hlášeny po sobě jdoucí aproximační registr (SAR) a bleskový typ ADC. Rovnováha potřebného celkového příjmu energie a rychlosti provozu je proto nezbytná.
Digitální pixelový senzor - koncept DPS je podobný řešení použitému v neuron-stimulačním čipu CMOS. Číslo DPS se považuje za užitečné pro kompresi na čipu. Fotodioda se používá k vybití vstupní kapacity komparátoru a samotné fotodiody. Bude se vybíjet úměrně intenzitě světla. Když to dosáhne prahové hodnoty, spustí se O / P komparátoru.
Technika nízké spotřeby v obrazovém snímači CMOS:
Metoda vychýlení: Podprahová oblast neboli slabé inverzní vychýlení je jedním z přístupů k dosažení nízké spotřeby proudu. Tato technika může být aplikována na provozní transkonduktanci zesilovač (OTA) nebo zesilovač pro ADC. Předpětí oblasti triody lze také použít k dalšímu snížení spotřeby energie.
Technika obvodu: Regenerativní západka může být použita ke snížení digitální spotřeby energie. Snížení/zmenšení kondenzátory ve fázích potrubí (pro ADC) může také snížit spotřebu energie.
Pokročilá technika správy napájení: Ke snížení spotřeby energie lze také použít jiný typ předpětí nebo obvodové techniky, „chytrý“ přístup, jako je získávání sluneční energie. Můžeme také selektivně ZAPNOUT pouze požadovaný odečítací obvod. Pixely lze také pravidelně aktivovat, aby se dále snížila spotřeba energie.
Techniky nízkého šumu v obrazovém snímači CMOS:
Na úrovni pixelů: Tepelný šum lze snížit korelovaným dvojitým vzorkováním a převzorkováním. Šum blikání je snížen použitím velkého zařízení, periodickým předpětím tranzistoru a správným předpětím napětí substrátu PMOS.
Úroveň sloupce: Kalibraci mimo čip lze použít ke snížení šumu s pevným vzorem. Pro výběr vhodného se provádí kalibrace kondenzátor hmotnosti v SAR ADC.
Úroveň ADC: Šum kT / C se sníží výběrem vhodné hodnoty pro Cf a Cs obvodu S / H a vyrovnávací paměti.
Úroveň fotodiody: Vysoký zisk konverze pomáhá snižovat vstupní šum.
Další článek týkající se elektroniky klikněte zde
Ahoj, jsem Soumali Bhattacharya. Vystudoval jsem elektroniku.
V současné době investuji do oblasti elektroniky a komunikace.
Mé články jsou zaměřeny na hlavní oblasti základní elektroniky ve velmi jednoduchém, ale informativním přístupu.
Jsem živý student a snažím se udržovat si aktuální informace o všech nejnovějších technologiích v oblasti elektronických domén.
Spojme se přes LinkedIn –
