INHOUD
- Wat is een CMOS-beeldsensor?
- Verschillende soorten
- Werkingsprincipe
- Het ontwerpen van
- Architectuur
Omslagafbeelding door - Zach Dischner, Nerd-Tograaf Bureau Ornament (9698639550), CC BY 2.0
Wat is een CMOS-beeldsensor?
CMOS-beeld- en kleursensor:
Complementaire metaaloxide halfgeleider (CMOS) beeldsensoren bestaan uit fotodiodes met en gemengde signaalcircuits die het vermogen hebben om kleine fotostromen te versterken in digitale signalen. De CMOS-beeldsensor is een van de beste systemen voor meerdere fotografie-gerelateerde toepassingen, zoals digitale videocamera's, fotoscanners, Xerox-apparaat, afdrukken en diverse andere. CMOS wordt tegenwoordig gebruikt vanwege het meervoudige gebruik en de eenvoudige fabricagetechniek, zelfs met een beperkte gevoeligheid in vergelijking met CCD.
Drie typen topologie van CMOS-kleursensoren worden besproken, namelijk de transimpedantieversterker (TIA), licht-naar-frequentieomvormer en lichtintegratie.
Afbeelding tegoed: Filya1, Matrixw, CC BY-SA 3.0
Werkingsprincipe van CMOS-beeldsensor:
Over het algemeen zijn er vier soorten procedures beschikbaar
- Standaard CMOS,
- Analoog-gemengd signaal CMOS,
- Digitale CMOS en
- CMOS-beeldsensorprocessen.
Het meest opvallende verschil tussen dit proces en de andere processen is de beschikbaarheid van fotoapparatuur, zoals een vastgezette fotodiode. De voordelen van technologie met kleinere afmetingen zijn een kleinere pixel, een hoge ruimtelijke resolutie en een lager stroomverbruik. Een technologie lager dan 100 nm vereist aanpassing van het fabricageproces (niet volgens de digitale wegenkaart) en pixelarchitectuur.
Fundamentele parameters zoals lekstroom (hebben invloed op de gevoeligheid voor het licht) en bedrijfsspanning (hebben invloed op het dynamisch bereik, dwz de verzadiging, een vastgezette fotodiode zal hoogstwaarschijnlijk niet werken bij een lage spanning, zijn erg belangrijk wanneer een proces wordt geselecteerd voor CIS-ontwikkeling. Vanwege deze beperkingen wordt een nieuwe circuittechniek geïntroduceerd:
1. Een oud circuit, zoals een standaard pixelcircuit, kan niet worden gebruikt bij gebruik van 0.1 micron en lager. Dit komt door de topologie die een hoge spanning vereist; omdat de maximale voedingsspanning nu lager is.
2. Kalibratiecircuit en annuleringsschakeling worden normaal gesproken gebruikt om geluiden te verminderen.
Om de resolutie te verhogen tot meerdere megapixels en honderden framesnelheden, wordt normaal gesproken gekozen voor technologie met een lagere dimensie. Blijkbaar is gemeld dat 0.13 micron en 0.18 micron goed genoeg zijn om goede beeldprestaties te bereiken.
Deze modificaties van het CMOS-proces zijn begonnen bij 0.25 micron en lager om hun beeldvormende eigenschappen te verbeteren. Omdat processchaling veel lager zal zijn dan 0.25 micron en lager, worden verschillende fundamentele parameters verslechterd, namelijk fotogevoeligheid en donkerstroom. Daarom zijn de wijzigingen gericht op het verminderen van deze parameterdegradaties. Systeemvereisten (zoals voedingsspanning en temperatuur) zijn ook een van de criteria bij het selecteren van een geschikt proces.
De prijs van tool- en ontwikkelingskosten zal ook de processelectie bepalen.
Photo Detetor-apparaten
De typische fotodetector-apparaten zijn fotodiode en fototransistor. Typische fotodiode-apparaten zijn N+/Psub, P+/N_well, N_well/Psub en P+/N_well/Psub (back-to-back diode) [9]. Fototransistorapparaten zijn P+/n_well/Psub (verticale transistor), P+/N_well/P+ (laterale transistor) en N_well/gate (gebonden fototransistor).
Deze standaard fotoapparaten hebben nog steeds een microlens en kleurenfilterarray nodig. De kwantumefficiëntie van fotodiodes in een standaard CMOS is meestal lager dan 0.3.
De apparaten die normaal worden ontwikkeld voor het gemodificeerde CMOS-proces zijn een fotopoort, vastgezette fotodiode en amorfe siliciumdiode. Deze apparaten zullen de gevoeligheid van het CIS verbeteren. Een vastgezette fotodiode, die een lage donkerstroom heeft, biedt goede beeldkarakteristieken voor de CIS.
De fotodevices vertonen de parasitaire capaciteit waarmee tijdens het ontwerpproces rekening moet worden gehouden. Een voorbeeld van de parasitaire capaciteit van N_well / Psub is:
Cfoto = (capaciteit per gebied) × fotodevice-gebied.
Ontwerpmethodologie van CMOS-beeldsensoren:
De typische ontwerpstroom van de CMOS-beeldsensor wordt hieronder weergegeven.
Een golfvoortplantingssimulatie kan worden gedaan voor optische simulatie. In de handel verkrijgbare computerondersteunde ontwerptools, zoals van Synopsys en Silvaco, kunnen worden gebruikt om het proces of de technologie van de fototoestellen te simuleren. Er is een werk (mixed-mode simulation) dat de technologie computerondersteund ontwerp combineert met simulatie op pixelniveau.
Er zijn veel elektronische ontwerpautomatiseringstools beschikbaar voor elektrische pixel-simulatie, deze elektronische ontwerpautomatiseringstools zijn vergelijkbaar met elk geïntegreerd circuit (IC) ontwerptool, zoals spectre, SPICE, Verilog-A en Verilog. Deze tools kunnen soms tijdrovend zijn als het aantal pixels groot is.
Inderdaad, als grote pixels samen met het diepe submicronproces nodig zijn, moet er meer kapitaal worden verstrekt (de kosten van gereedschappen zijn duurder voor zeer diepe submicrons, vooral onder de 90 nm). Hoewel de CMOS-gieterij de modellen levert voor ondersteunde ontwerptools, moeten ontwerpers soms het subblok zelf modelleren om te voldoen aan de CIS-specificatie. Dit kan de elektrische simulatietijd van de pixels versnellen, maar dit zal de nauwkeurigheid verminderen. Voor systeemsimulatie kunnen VHDL-AMS, System-C of MATLAB worden gebruikt om de algehele functie en prestaties te voorspellen.
CMOS-beeldsensorarchitectuur:
Pixelniveau ADC – Een digitale pixelsensor (DPS) biedt een breed dynamisch bereik. De DPS zet de analoge waarden om naar een digitaal signaal binnen het pixelbereik. De verwerking kan ook op pixelniveau plaatsvinden.
Chipniveau ADC - ADC op chipniveau of soms ADC op matrixniveau wordt weergegeven in het onderstaande figuur.
De ADC voor deze topologie moet erg snel zijn, deze topologie zou ook een zeer hoge stroom verbruiken. Het ADC-type dat geschikt is voor de CIS-topologie is pijplijn-ADC. Opeenvolgend benaderingsregister (SAR) en flash-type ADC zijn echter ook gerapporteerd in het CIS-ontwerp. De balans tussen de noodzakelijke totale stroomopname en werksnelheid is daarom essentieel.
Digitale pixelsensor - Het DPS-concept is vergelijkbaar met de oplossing die wordt gebruikt in de CMOS-neuron-stimuluschip. Het aantal DPS is nuttig voor compressie op de chip. De fotodiode wordt gebruikt om de ingangscapaciteit van de comparator en fotodiode zelf te ontladen. Het wordt proportioneel ontladen met de lichtintensiteit. Wanneer dit de drempel bereikt, wordt de O / P van de comparator geactiveerd.
Low Power-techniek in CMOS-beeldsensor:
Biasing-methode: het subdrempelgebied of zwakke inversievoorspanning is een van de benaderingen om een laag stroomverbruik te bereiken. Deze techniek kan worden toegepast op een operationele transconductantie versterker (OTA) of een versterker voor een ADC. Triode regiovoorspanning kan ook worden gebruikt om het stroomverbruik verder te verminderen.
Schakeltechniek: De regeneratieve vergrendeling kan worden gebruikt om het digitale stroomverbruik te verminderen. Verkleinen/schalen van de condensatoren in de pijplijnfasen (voor ADC) kan ook het stroomverbruik verminderen.
Geavanceerde energiebeheertechniek: Een ander type bias- of circuittechniek, een 'slimme' benadering, zoals het oogsten van zonne-energie, kan ook worden gebruikt om het stroomverbruik te verminderen. We kunnen ook selectief alleen het vereiste uitleescircuit AAN zetten. Pixels kunnen ook periodiek worden geactiveerd om het stroomverbruik verder te verminderen.
Technieken met weinig ruis in CMOS-beeldsensor:
Op pixelniveau: de thermische ruis kan worden verminderd door gecorreleerde dubbele bemonstering en oversampling. De flikkeringsruis wordt verminderd door een groot apparaat te gebruiken, de transistor periodiek voor te spannen en de juiste PMOS-substraatspanning voor te stellen.
Kolomniveau: De off-chip kalibratie kan worden gebruikt om vaste patroonruis te verminderen. De kalibratie is gedaan om geschikt te selecteren condensator gewichten in de SAR ADC.
ADC-niveau: De kT / C-ruis wordt verminderd door een geschikte waarde voor C te selecterenf en Cs van het S / H-circuit en de buffer.
Fotodiode-niveau: de hoge conversieversterking helpt de gerefereerde ingangsruis te verminderen.
Voor meer elektronica gerelateerd artikel klik hier
Hallo, ik ben Soumali Bhattacharya. Ik heb de master Elektronica gedaan.
Ik ben momenteel geïnvesteerd op het gebied van elektronica en communicatie.
Mijn artikelen zijn gericht op de belangrijkste gebieden van de kernelektronica in een zeer eenvoudige maar informatieve benadering.
Ik ben een levendige leerling en probeer mezelf op de hoogte te houden van de nieuwste technologieën op het gebied van elektronica.
Laten we verbinding maken via LinkedIn –