INDICE
- Cos'è il sensore di immagine CMOS?
- Tipi diversi
- Principio di funzionamento
- Progettazione
- Architettura
Immagine di copertina di - Zach Dischner, Ornamento da scrivania nerd-tografo (9698639550), CC BY 2.0
Cos'è il sensore di immagine CMOS?
Sensore di immagine e colore CMOS:
I sensori di immagine CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) sono costituiti da fotodiodi con circuiti a segnali misti in grado di amplificare piccole fotocorrenti in segnali digitali. Il sensore di immagine CMOS è uno dei migliori strumenti per molteplici applicazioni legate alla fotografia, ad esempio videocamere digitali, scanner fotografici, macchina Xerox, stampa e varie altre. I CMOS sono oggigiorno utilizzati a causa del suo utilizzo multiplo e della sua semplice tecnica di fabbricazione anche con una sensibilità rispetto al CCD.
Vengono discussi tre tipi di topologia dei sensori di colore CMOS, vale a dire l'amplificatore a transimpedenza (TIA), il convertitore da luce a frequenza e l'integrazione della luce.
Credito d'immagine: filya1, Matrixw, CC BY-SA 3.0
Principio di funzionamento del sensore di immagine CMOS:
In generale, sono disponibili quattro tipi di procedure
- CMOS standard,
- CMOS a segnale misto analogico,
- CMOS digitale e
- Processi del sensore di immagine CMOS.
La differenza più evidente tra questo processo e gli altri processi è la disponibilità di dispositivi fotografici, come un fotodiodo bloccato. I vantaggi della tecnologia di dimensioni inferiori sono pixel più piccoli, alta risoluzione spaziale e minore consumo energetico. Una tecnologia inferiore a 100 nm richiede modifiche al processo di fabbricazione (non seguendo la road map digitale) e all'architettura pixel.
Parametri fondamentali come la corrente di dispersione (influenzerà la sensibilità alla luce) e la tensione di funzionamento (influenzerà la gamma dinamica, cioè la saturazione, molto probabilmente un fotodiodo bloccato non funzionerà a bassa tensione sono molto importanti quando un processo è selezionato per lo sviluppo CIS. A causa di queste limitazioni, viene introdotta una nuova tecnica di circuito:
1. Un vecchio circuito, come un circuito pixel standard non può essere utilizzato quando si utilizza 0.1 micron e inferiore. Ciò è dovuto alla topologia che richiede alta tensione; perché la tensione di alimentazione massima è ora inferiore.
2. Il circuito di calibrazione e il circuito di cancellazione sono normalmente utilizzati per ridurre i rumori.
Per aumentare la risoluzione in multi-megapixel e centinaia di frame rate, viene normalmente scelta una tecnologia di dimensioni inferiori. Evidentemente, è stato riportato che 0.13 micron e 0.18 micron sono abbastanza buoni per ottenere buone prestazioni di imaging.
Queste modifiche del processo CMOS sono iniziate a 0.25 micron e inferiori per migliorare le loro caratteristiche di imaging. Poiché il ridimensionamento del processo sarà molto inferiore a 0.25 micron e inferiore, diversi parametri fondamentali vengono degradati, ovvero la reattività alle foto e la corrente oscura. Pertanto, le modifiche si concentrano sulla mitigazione di queste degradazioni dei parametri. Anche i requisiti di sistema (come la tensione di alimentazione e la temperatura) sono uno dei criteri nella scelta di un processo adatto.
Il prezzo dello strumento e i costi di sviluppo determineranno anche la selezione del processo.
Dispositivi di rilevamento foto
Il tipico i dispositivi fotorivelatori sono fotodiodo e fototransistor. Tipici dispositivi a fotodiodo sono N+/Psub, P+/N_well, N_well/Psub e P+/N_well/Psub (diodo back-to-back) [9]. I dispositivi fototransistor sono P+/n_well/Psub (transistor verticale), P+/N_well/P+ (transistor laterale) e N_well/gate (fototransistor legato).
Questi dispositivi fotografici standard richiedono ancora un micro obiettivo e un array di filtri colorati. L'efficienza quantistica dei fotodiodi in un CMOS standard è solitamente inferiore a 0.3.
I dispositivi normalmente sviluppati per il processo CMOS modificato sono un fotodiodo, un fotodiodo appuntato e un diodo al silicio amorfo. Questi dispositivi miglioreranno la sensibilità del CIS. Un fotodiodo appuntato, che ha una bassa corrente di buio, offre buone caratteristiche di imaging per il CIS.
I fotodispositivi mostrano la capacità parassita, che dovrebbe essere considerata durante il processo di progettazione. Un esempio della capacità parassita di N_well / Psub è:
Cfoto = (capacità per area) × area del fotodispositivo.
Metodologia di progettazione dei sensori di immagine CMOS:
Di seguito è mostrato il flusso di progettazione tipico del sensore di immagine CMOS.
È possibile eseguire una simulazione della propagazione delle onde per la simulazione ottica. Gli strumenti di progettazione assistita da computer della tecnologia disponibile in commercio, come Synopsys e Silvaco, possono essere utilizzati per simulare il processo o la tecnologia dei fotodispositivi. Esiste un lavoro (simulazione in modalità mista) che combina la tecnologia di progettazione assistita da computer e la simulazione a livello di pixel.
Sono disponibili molti strumenti di automazione della progettazione elettronica per la simulazione elettrica dei pixel, questi strumenti di automazione della progettazione elettronica sono simili a qualsiasi circuito integrato (IC) strumento di progettazione, come spettro, SPICE, Verilog-A e Verilog. Questi strumenti possono richiedere molto tempo se il numero di pixel è elevato.
In effetti, se sono necessari pixel di grandi dimensioni insieme al processo profondo submicronico, è necessario fornire più capitale (il costo degli strumenti è più costoso per submicron molto profondi, specialmente al di sotto di 90 nm). Anche se la fonderia CMOS fornisce i modelli per gli strumenti di progettazione supportati, a volte i progettisti devono ancora modellare il sottoblocco da soli per soddisfare le specifiche CIS. Ciò può accelerare il tempo di simulazione elettrica dei pixel, tuttavia, ciò ridurrà la precisione. Per la simulazione del sistema, è possibile utilizzare VHDL-AMS, System-C o MATLAB per prevedere la funzione e le prestazioni complessive.
Architettura del sensore di immagine CMOS:
Livello pixel ADC – Un digitale il sensore pixel (DPS) offre un'ampia gamma dinamica. Il DPS converte i valori analogici in un segnale digitale all'interno dell'intervallo di pixel. L'elaborazione può essere eseguita anche a livello di pixel.
Livello chip ADC - La figura seguente mostra l'ADC a livello di chip o talvolta l'ADC a livello di matrice.
L'ADC per questa topologia deve essere molto veloce, anche questa topologia consumerebbe una corrente molto elevata. Il tipo di ADC adatto alla topologia CIS è l'ADC a pipeline. Tuttavia, nel progetto CIS sono stati riportati anche il registro di approssimazione successiva (SAR) e l'ADC di tipo flash. È quindi essenziale l'equilibrio tra l'assunzione di potenza complessiva necessaria e la velocità di funzionamento.
Sensore pixel digitale: il concetto DPS è simile alla soluzione utilizzata nel chip di stimolo neuronale CMOS. Il numero di DPS è utile per la compressione su chip. Il fotodiodo viene utilizzato per scaricare la capacità di ingresso del comparatore e del fotodiodo stesso. Verrà scaricato proporzionalmente all'intensità della luce. Quando questa raggiunge la soglia, verrà attivato l'O / P del comparatore.
Tecnica a bassa potenza nel sensore di immagine CMOS:
Metodo di polarizzazione: la regione sottosoglia o una debole polarizzazione di inversione è uno degli approcci per ottenere un basso consumo di corrente. Questa tecnica può essere applicata a una transconduttanza operativa amplificatore (OTA) o un amplificatore per un ADC. La polarizzazione della regione del triodo può essere utilizzata anche per ridurre ulteriormente il consumo di energia.
Tecnica del circuito: il latch rigenerativo può essere utilizzato per ridurre il consumo di energia digitale. Ridurre/ridimensionare il condensatori in fase di pipeline (per ADC) può anche ridurre il consumo di energia.
Tecnica avanzata di gestione dell'energia: un altro tipo di tecnica di polarizzazione o circuito, un approccio "intelligente", come la raccolta di energia solare, può anche essere impiegato per ridurre il consumo di energia. Possiamo anche attivare selettivamente solo il circuito di lettura richiesto. I pixel possono anche essere attivati periodicamente per ridurre ulteriormente il consumo di energia.
Tecniche a basso rumore nel sensore di immagine CMOS:
A livello di pixel: il rumore termico può essere ridotto mediante il doppio campionamento e l'oversampling correlati. Il rumore di sfarfallio viene ridotto utilizzando un dispositivo di grandi dimensioni, polarizzando periodicamente il transistor e una corretta polarizzazione della tensione del substrato PMOS.
Livello colonna: la calibrazione off-chip può essere utilizzata per ridurre il rumore del pattern fisso. La calibrazione viene eseguita per selezionare adatto condensatore pesi nell'ADC SAR.
Livello ADC: il rumore kT / C viene ridotto selezionando un valore adatto per Cf e Cs del circuito S / H e del buffer.
Livello fotodiodo: l'elevato guadagno di conversione aiuta a ridurre il rumore di ingresso riferito.
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Ciao, sono Soumali Bhattacharya. Ho fatto il Master in Elettronica.
Attualmente sono investito nel campo dell'elettronica e della comunicazione.
I miei articoli si concentrano sulle principali aree dell'elettronica di base in un approccio molto semplice ma informativo.
Sono uno studente brillante e cerco di mantenermi aggiornato con tutte le ultime tecnologie nel campo dei domini dell'elettronica.
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