CMOS Image Sensor | Mahalagang uri ito at Prinsipyo sa Paggawa

MGA NILALAMAN

  • Ano ang CMOS image sensor?
  • Iba't ibang uri
  • nagtatrabaho prinsipyo
  • Pagguhit ng plano
  • Arkitektura
CMOS Image Sensor | Mahalagang uri ito at Prinsipyo sa Paggawa

Sensor ng imahe ng CMOS

Cover Image Ni - Zach DischnerNerd-Tographer Desk Ornament (9698639550)CC BY 2.0

Ano ang CMOS image sensor?

CMOS Image at Color Sensor:

Ang mga pandagdag na sensor ng imahe ng metal-oxide semiconductor (CMOS) ay binubuo ng mga photodiode na may at halo-halong mga circuit na may kakayahang palakihin ang mga maliliit na photocurrent sa mga digital signal. Ang sensor ng imahe ng CMOS ay isa sa pinakamahusay na cricuitry para sa maraming application na nauugnay sa potograpiya, ibig sabihin, mga digital video camera, photo scanner, Xerox machine, pagpi-print at iba pa. Ang CMOS ay ginagamit ngayon dahil sa maraming paggamit nito at simpleng diskarteng gawa-gawa kahit na ang pagkakaroon ng pagiging sensitibo sa paghahambing sa CCD.

Tatlong uri ng topolohiya ng mga sensor ng kulay ng CMOS ang tinalakay, lalo ang transimpedance amplifier (TIA), light to frequency converter, at light integrating.

CMOS Image Sensor | Mahalagang uri ito at Prinsipyo sa Paggawa
Sensor ng imahe ng CMOS
Credit sa Larawan: Filya1MatrixwCC BY-SA 3.0

Prinsipyo sa Paggawa ng CMOS Image Sensor:

Sa pangkalahatan, magagamit ang apat na uri ng mga pamamaraan

  • Karaniwang CMOS,
  • Analog-mixed-signal CMOS,
  • Digital CMOS, at
  • Mga proseso ng sensor ng imahe ng CMOS.

Ang pinaka-halatang pagkakaiba sa pagitan ng prosesong ito at ng iba pang mga proseso ay ang pagkakaroon ng mga aparato sa larawan, tulad ng isang naka-pin na photodiode. Ang mga kalamangan ng mas maliit na teknolohiya ng sukat ay mas maliit na pixel, mataas na spatial na resolusyon, at mas mababang paggamit ng kuryente. Ang isang teknolohiya na mas mababa sa 100 nm ay nangangailangan ng pagbabago sa proseso ng paggawa (hindi pagsunod sa digital na mapa ng kalsada) at arkitektura ng pixel.

Ang mga pangunahing parameter tulad ng kasalukuyang tagas (ay makakaapekto sa pagkasensitibo sa ilaw) at boltahe ng operasyon (makakaapekto sa aktibong saklaw, ibig sabihin, ang saturation, isang naka-pin na photodiode ay malamang na hindi gagana sa isang mababang boltahe ay napakahalaga kapag ang isang proseso ay napili para sa pag-unlad ng CIS. Dahil sa mga limitasyong ito, ipinakilala ang isang bagong pamamaraan ng circuit:

1. Ang isang lumang circuit, tulad ng isang karaniwang pixel circuit ay hindi maaaring gamitin kapag gumagamit ng 0.1 micron at mas mababa. Ito ay dahil sa topology na nangangailangan ng mataas na boltahe; dahil ang maximum na boltahe ng suplay ay mas mababa na ngayon.

2. Ang calibration circuit at cancellation circuit ay karaniwang ginagamit upang mabawasan ang mga ingay.

Upang madagdagan ang resolusyon sa multi-megapixel at daan-daang frame rate, karaniwang napili ang teknolohiyang mas mababang sukat. Malinaw, naiulat na ang 0.13 micron at 0.18 micron ay sapat na mahusay upang makamit ang mahusay na pagganap ng imaging.

Ang mga pagbabago sa proseso ng CMOS ay nagsimula sa 0.25 micron at sa ibaba upang mapabuti ang kanilang mga katangian sa imaging. Tulad ng proseso ng pag-scale ay magiging mas mababa sa 0.25 micron at sa ibaba, maraming mga pangunahing mga parameter ay napasama, lalo, ang kakayahang tumugon sa larawan at madilim na kasalukuyang. Samakatuwid, ang mga pagbabago ay nakatuon sa pagpapagaan ng mga pagkasira ng parameter na ito. Ang mga kinakailangan sa system (tulad ng boltahe ng supply at temperatura) ay isa rin sa mga pamantayan sa pagpili ng isang angkop na proseso.

Ang presyo ng mga gastos sa tool at pag-unlad ay matutukoy din ang pagpili ng proseso.

Mga Device ng Detetor ng Larawan

Ang mga tipikal na aparato ng detektor ng larawan ay photodiode at phototransistor. Ang mga karaniwang aparato ng photodiode ay N + / Psub, P + / N_well, N_well / Psub, at P + / N_well / Psub (back-to-back diode) [9]. Ang mga aparato ng Phototransistor ay P + / n_well / Psub (patayong transistor), P + / N_well / P + (lateral transistor), at N_well / gate (nakatali na phototransistor).

Ang mga karaniwang aparato ng larawan na ito ay nangangailangan pa rin ng isang micro lens at hanay ng filter ng kulay. Ang dami ng kahusayan ng mga photodiode sa isang karaniwang CMOS ay karaniwang mas mababa sa 0.3.

Ang mga aparato na karaniwang binuo para sa binagong proseso ng CMOS ay isang photogate, naka-pin na photodiode, at amorphous silicon diode. Ang mga aparatong ito ay magpapabuti sa pagiging sensitibo ng CIS. Ang isang naka-pin na photodiode, na may mababang madilim na kasalukuyang, ay nag-aalok ng mahusay na mga katangian ng imaging para sa CIS.

Ang mga photodevice ay nagpapakita ng kapasidad na parasitiko, na dapat isaalang-alang sa proseso ng disenyo. Ang isang halimbawa ng capacitance ng parasitiko ng N_well / Psub ay:

                       Clarawan = (capacitance bawat lugar) × photodevice area.

Paraan ng Disenyo ng CMOS Image Sensors:

Ang karaniwang daloy ng disenyo ng sensor ng imahe ng CMOS ay ipinapakita sa ibaba.

Karaniwang daloy ng disenyo ng sensor ng imahe ng CMOS
Karaniwang daloy ng disenyo ng sensor ng imahe ng CMOS

Maaaring gawin ang isang simulasi ng paglaganap ng alon para sa simulation ng optika. Magagamit na komersyal na teknolohiya ang mga tool sa disenyo na pantulong sa computer, tulad ng mula sa Synopsys at Silvaco, ay maaaring magamit upang gayahin ang proseso o teknolohiya ng mga photodevice. Mayroong isang trabaho, (mixed-mode simulation) na pinagsasama ang teknolohiyang pantulong na disenyo ng computer at simulasyong antas ng pixel.

Mayroong maraming mga tool sa awtomatikong disenyo ng elektronikong magagamit para sa pixel electrical simulation, ang mga tool sa pag-automate na ito ng elektronikong disenyo ay katulad ng anumang integrated circuit (IC) tool sa disenyo, tulad ng multo, SPICE, Verilog-A, at Verilog. Ang mga tool na ito ay maaaring gumugol ng oras minsan kung ang bilang ng mga pixel ay malaki.

Sa katunayan, kung kinakailangan ang malalaking mga pixel kasama ang malalim na proseso ng submicron, higit na ibibigay ang kapital (ang gastos ng mga tool ay mas mahal para sa napakalalim na submicron, lalo na sa ibaba ng 90 nm). Kahit na ang pandayan ng CMOS ay nagbibigay ng mga modelo para sa mga suportadong tool sa disenyo, kung minsan ay kailangang i-modelo ng mga taga-disenyo ang sub-block sa kanilang sarili upang umangkop sa pagtutukoy ng CIS. Maaari nitong mapabilis ang oras ng simulasi ng elektrikal na pixel, gayunpaman, mapapahamak nito ang kawastuhan. Para sa simulation ng system, maaaring magamit ang VHDL-AMS, System-C, o MATLAB upang hulaan ang pangkalahatang pagpapaandar at pagganap.

Arkitektura ng CMOS Image Sensor:

Pixel Level ADC - Nag-aalok ang isang digital pixel sensor (DPS) ng malawak na range ng pabagu-bago. Binago ng DPS ang mga halagang analog sa isang digital na signa sa loob ng saklaw ng pixel. Ang pagproseso ay maaari ding gawin sa antas ng pixel.

CMOS Image Sensor | Mahalagang uri ito at Prinsipyo sa Paggawa
Digital na positibong Sensitibong aparato, Credit ng Larawan - Georg Wiora (Dr. Schorsch), Device na Sensitibo sa Posisyon ng DigitalCC BY-SA 3.0

Chip Level ADC - Ang ADC na antas ng Chip o kung minsan ang antas ng matrix na ADC ay inilalarawan sa Larawan sa ibaba.

CMOS Image Sensor | Mahalagang uri ito at Prinsipyo sa Paggawa
Matrix sa antas ng ADC

Ang ADC para sa topolohiya na ito ay dapat na napakabilis, ang topolohiya na ito ay gugugol din ng napakataas na kasalukuyang. Ang uri ng ADC na angkop para sa topology ng CIS ay pipelined ADC. Gayunpaman, ang sunud-sunod na approximation register (SAR) at flash type ADC ay naiulat din sa disenyo ng CIS. Samakatuwid mahalaga ang balanse ng kinakailangang pangkalahatang paggamit ng kuryente at bilis ng operasyon.

Digital Pixel Sensor - Ang konsepto ng DPS ay pareho sa solusyon na ginamit sa CMOS neuron-stimulus chip. Ang DPS sa bilang ay nahanap na kapaki-pakinabang para sa on-chip compression. Ginagamit ang photodiode upang maipalabas ang input capacitance ng kumpare at photodiode mismo. Ipapalabas ito nang proporsyonal sa gaanong ilaw. Kapag naabot nito ang threshold, mai-trigger ang O / P ng kumpare.

Mababang pamamaraan ng Power sa CMOS Image Sensor:

Pamamaraan ng Biasing: Ang rehiyon na subthreshold o mahina na inversion biasing ay isa sa mga diskarte upang makamit ang mababang kasalukuyang pagkonsumo. Ang pamamaraan na ito ay maaaring mailapat sa isang pagpapatakbo transconductance amplifier (OTA) o isang amplifier para sa isang ADC. Maaari ring magamit ang Triode region biasing upang lalong mabawasan ang pagkonsumo ng kuryente.

Diskarte sa circuit: Ang regenerative latch ay maaaring magamit upang mabawasan ang pagkonsumo ng digital na kuryente. Ang pagbawas / pag-scale ng mga capacitor sa mga yugto ng pipeline (para sa ADC) ay maaari ring mabawasan ang pagkonsumo ng kuryente.

Advanced na diskarte sa pamamahala ng kuryente: Ang isa pang uri ng biasing o pamamaraan ng circuit, isang "matalinong" diskarte, tulad ng pag-aani ng solar na enerhiya ay maaari ding gamitin upang mabawasan ang pagkonsumo ng kuryente. Maaari din kaming pili na ON lamang ang kinakailangang readout circuit. Maaari ding mapagsamantala ang mga pixel upang mabawasan pa ang pagkonsumo ng kuryente.

Mababang Mga Diskarte sa Ingay sa CMOS Image Sensor:

Sa antas ng pixel: Ang thermal noise ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng ugnayan ng dobleng sampling at oversampling. Ang ingay ng flicker ay nabawasan sa pamamagitan ng paggamit ng isang malaking aparato, pana-panahon na biasing ang transistor, at tamang PMOS substrate voltage biasing.

Antas ng haligi: Maaaring magamit ang pagkakalibrate ng off-chip upang mabawasan ang naayos na ingay ng pattern. Ang pagkakalibrate ay ginagawa upang pumili ng naaangkop na mga timbang ng capacitor sa SAR ADC.

Antas ng ADC: Ang ingay ng kT / C ay nabawasan sa pamamagitan ng pagpili ng angkop na halaga para sa Cf at Cs ng S / H circuit at buffer.

Antas ng Photodiode: Ang mataas na nakuha sa conversion ay nakakatulong upang mabawasan ang na-refer na ingay sa pag-input.

Para sa higit pang artikulong nauugnay sa electronics pindutin dito

Tungkol sa Soumali Bhattacharya

CMOS Image Sensor | Mahalagang uri ito at Prinsipyo sa PaggawaKasalukuyan akong namuhunan sa larangan ng Elektronika at komunikasyon.
Ang aking mga artikulo ay nakatuon patungo sa pangunahing mga lugar ng pangunahing electronics sa isang napaka-simple ngunit nagbibigay-kaalaman na diskarte.
Ako ay isang matingkad na natututo at subukang panatilihing nai-update ang aking sarili sa lahat ng mga pinakabagong teknolohiya sa larangan ng mga domain ng Electronics.

Kumonekta tayo sa pamamagitan ng LinkedIn -
https://www.linkedin.com/in/soumali-bhattacharya-34833a18b/

Mag-iwan ng komento

Ang iyong email address ay hindi ilalathala. Ang mga kailangang field ay may markang *

en English
X