Розрахунок і оптимізація активного елементу
ЗМІСТ
ВСТУП 5
1 АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ КМОН-МАТРИЦЬ 6
1.1 Призначення та класифікація цифрових камер 6
1.2 ПЗЗ-матриці 7
1.3 Характеристики телекамер на КМОН фотоприймачах 11
2 РОЗРАХУНОК КМОН ФОТОДІОДНИХ НВІС 17
2.1 КМОН фотодіодні мікросхеми 17
2.2 Структура телекамер на КМОН фотоприймачах 18
2.3 Принцип роботи КМОН-ФД НВІС 25
2.4 Розрахунок і оптимізація активного елементу 30
ВИСНОВКИ 38
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 39
Додаток А 42
ВСТУП
Актуальність:
КМОН-ФД приймачі знайшли широке застосування не тільки в побутовій апаратурі (цифрові камери і фотоапарати, відеотелефони, системи безпеки транспорту), але і в промислових, космічних і оборонних системах (астронавігації, астроорієнтації, технічному зорі, системах спостереження і контролю і т.п.). Основна перевага КМОН-ФД - можливість створення однокристальних цифрових камер з пристроями аналогової, цифровий та негроподібної обробки зображення. Тому найбільш перспективні напрямки розробок - створення інтелектуальних камер, які в найближче десятиліття дозволять реалізувати системи технічного та штучного зору, що схожий за характеристиками до біологічного зору.
Мета:
Порівняльна характеристика КМОН-сенсорів.
Задачі дослідження:
- Провести аналіз структури та конструктивних особливостей матричних фотоперетворювачів
- Розглянути принцип дії та основні параметри КМОН матриць
- Провести розрахунок активного елементу КМОН-ФД матриць
Об’єкт дослідження:
Процес зчитування інформації в КМОН матриці.
Предмет дослідження:
Характеристики та параметри КМОН матриць.
1 АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ КМОН-МАТРИЦЬ
1.1 Призначення та класифікація цифрових камер
Цифрова фотокамера – це пристрій, призначений для введення в ЕОМ зображень, отриманих як результат фотозйомок. Розрізняють за призначенням три види фотокамер:
- студійні, що використовують базові ПЕОМ, і, як правило, не мають вбудованої пам’яті для зберігання зображень та призначені для фотографування сцен із широким діапазоном відтінків з насиченими фарбами, глибокими тінями та яскраво освітленими елементами;
- позастудійні (польові) камери, що зберігають зображення у собі; працюють, як автономні пристрої без забезпечувальної ПЕОМ, призначені для фіксації сцен реального життя, з якими мають справу журналісти;
- побутові камери, в яких безплівкова технологія поєднується з простотою експлуатації («Вибери кадр та натисни на пуск»).
Цифрові камери поділяють на такі:
- камери із задньою розгорткою;
- трикадрові кольорові камери;
- однокадрові кольорові камери з трьома матрицями ПЗЗ;
- однокадрові кольорові камери з однією матрицею.
Як елементи запису зображення в однокадрових цифрових фотокамерах можуть використовуватись CCD (Charge Coupled Device (ПЗЗ) або CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors – комплементарний метал-оксидний провідник (КМОН))[1].
Пристрій
із зарядовим зв’язком є мікросхемою,
яка містить світлочутливі
Будова КМОН-матриці за розташуванням аналізованих елементів аналогічна, однак вони мають підсилювачі для кожного пікселя. Це дає змогу посилювати сигнал кожного пікселя і збільшувати швидкість зчитування даних порівняно з ПЗЗ-матрицею, для якої потрібне полінійне передавання даних. А оскільки КМОН-матриця може зчитувати лише потрібну інформацію, вона дозволяє зменшувати споживану потужність і скорочувати до мінімуму електричні шуми. Так, ПЗЗ-матриця споживає 20 В, а за тих же умов КМОН-матриця споживає 5 В. Більше того, оскільки КМОН-матриці не потребують різних напруг живлення як ПЗЗ-матриці, з’являється можливість установити на один кристал більшу кількість допоміжних пристроїв, що сприяє мініатюризації системи[2].
Не
зважаючи на це, КМОН-матриці через
шум у кожному пікселі
На тепер лідером у виробництві цифрових фотокамер є фірма Kodak. У 1990 році нею введений стандарт PhotoCD - стандарт на зберігання фотозображень на CD-ROM.
1.2 ПЗЗ-матриці
Основною
ідеєю ПЗЗ є накопичення
Матриці з перенесенням кадру містять в собі щільно розміщені вертикальні регістри перенесення і горизонтальний вихідний регістр[4]. По вертикалі матриця розділена на секції накопичення і пам'яті. Під час зворотного ходу по кадру інформація переноситься із секції накопичення в секцію пам'яті, а потім построково виводиться горизонтальним регістром протягом наступного півкадру.
В полікремнієвих затворах відбувається сильне поглинання випромінювання з довжиною хвилі меншою за 500 нм, що приводить до втрати інформації про синій компонент колірності. Для підвищення чутливості в синій області спектру здійснюється освітлення із внутрішньої сторони підкладки, а підкладка при цьому сточується до товщини 20 мкм. Також для вирішення даної проблеми використовується ПЗЗ-структура з вузьким каналом. Полікремнієві затвори складаються з широкої частини, під якою знаходиться інформаційний заряд вузької бар’єрної частини, ширина каналу якої 3 мкм[5]. Під впливом ефекту вузького каналу порогова напруга на 4 – 5 В більша, ніж в частині, що зберігає, завдяки чому є можливим двофазне керування пристроєм. Причому дана форма затворів приводить до того, що в кожній комірці залишається область, яка є не закритою полікремнієм, а отже чутливою до синьої частини спектру. При площі фоточутливого вікна, вільного від полікремнію, яка займає 27 % площі комірки, чутливість матриці при довжині 450 нм складає 40 % від максимальної чутливості[6].
Кольорове зображення отримують шляхом формування на скляній підкладці смужкових фільтрів червоного, зеленого і голубого кольорів. Підкладка наклеюється на матрицю таким чином, щоб кожний вертикальний регістр був закритий смужкою свого кольору. З метою послаблення змішування кольорів стоп-канали ПЗЗ закриваються напівпрозорим екраном. Якщо інформація швидко переноситься з секції накопичення в секцію пам'яті, то виникає паразитне свічення зображення, що приводить до спотворення інформації. Для запобігання цьому зменшують площу пристрою або підвищують частоту перенесення зображення. В стрічково кадрових матрицях відбувається чергування між вертикальними фоточутливими областями та екранованими від світла регістрами зчитування. Область накопичення є ніби розрізаною на вертикальні стовбці, між якими знаходяться зсувні регістри. Хоча фоточутливою є та частина площі, що не зайнята зсувними регістрами, зображення проектують на весь кристал. Накопичені у фотокомірках зарядні пакети одночасно переносяться в сусідні елементи регістрів зчитування. Протягом часу накопичення наступного кадру чи півкадру зарядні пакети виносяться у вихідний пристрій через горизонтальний вихідний регістр. На відміну від матриць з накопиченням кадру, де фотокоміркою може бути лише МОН-накопичувач, в стрічково-кадрових матрицях в якості фотокомірок можна використовувати як МОН-накопичувач, фотодіод, фоторезистор. Використання діодних фотокомірок дозволяє покращити чутливість в синій області спектру. Оскільки в стрічково-кадрових матрицях половина площі зайнята вертикальними регістрами, то виникає проблема збільшення заряду. Тому використовується режим накопичення поля, коли при звичайному робочому режимі матриці парні фотокомірки зчитуються в одному півкадрі, а непарні – в іншому. При використанні фотодіодної матриці підвищення фоточутливості здійснюють шляхом формування на поверхні приладу масиву напівпрозорих лінз, які фокусують світло на діоди, в результаті чого ефективна апертура зростає на 80 %. Кольорові фільтри наносяться безпосередньо на поверхню матриці. В матрицях зі стрічковою адресацією області накопичування і зчитування є суміщеними, а матриці призначені для роботи в малокадровому режимі, коли можна застосовувати фотозатвор або зробити час накопичення набагато більшим за час зчитування.
Матриці являють собою комбінацію накопичувачів на основі МОН-транзисторів з горизонтальним вихідним ПЗЗ-регістром. Зчитування двокоординатного масиву відбувається построково у вихідний зсувний регістр та у вихідний пристрій. При такій організації необхідно забезпечити зчитування малого заряду з вертикальної шини великої ємності в комірку горизонтального регістра. Тому між фоточутливою матрицею та регістром вводять спеціальний узгоджувальний пристрій, який в значній степені визначає якість роботи пристрою. До матриць зі стрічковою адресацією відносять ФПЗЗ з тимчасовою затримкою та накопиченням (ТЗН), використання яких дозволяє різко збільшити відношення сигнал – шум, і як наслідок реалізувати високу чутливість. Використання тимчасової затримки і накопичення дозволяє різко поліпшити відношення сигнал-шум матриць і, отже, реалізувати високу чутливість. Одна з основних переваг матриць з ТЗН – можливість гібридної збірки їх в суперлінійки, число елементів яких досягає десятків тисяч[7].
Характеристики ФПЗЗ – інтегральних мікросхем: ефективний квантовий вихід порядку 0,7; інтегральна чутливість порядку 1 А/Вт-1 в спектральному діапазоні 0,4÷0,8 мкм; високе відношення сигнал – шум, наближене до 1000; швидкість зняття оптичної інформації понад 106 байт за секунду – забезпечують потреби до давачів в пристроях цифрового перетворення зображень в інформаційних системах. Сьогодні серійне виробництво ПЗЗ-матриць здійснюється декількома фірмами: Texas Instruments, Thompson, Loral Fairchild, Ford Aerospace, SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak. ПЗЗ хорошої якості сучасної розробки випускає, наприклад, фірма Philips. Такими матрицями оснащені телекамери серії LTC 03, LTC 04. Так телекамера LTC 0350 забезпечена автоматичним електронним затвором 1/50 — 1/100000 с, працюючим з форматом матриці 1/3 дюйма і розміром 752×582 пікселів.
1.3 Характеристики телекамер на КМОН фотоприймачах
Роздільна здатність фотоприймача - в першу чергу визначається числом світлочутливих елементів і їх геометричним розміром. На відміну від технології ПЗЗ, КМОН технологія дозволяє досить простими засобами організувати фотоприймач, що містить дуже велику кількість пікселів - десятки мільйонів, і має дуже велику площу кристала, наприклад, збігається з розміром кадру стандартної фотоплівки. Це пояснюється тим, що при збільшенні розміру кристала ПЗЗ-перетворювача ймовірність захопити фатальний дефект швидко зростає. У КМОН сенсорі такий дефект викличе поразку одного єдиного пікселя, значення відеосигналу якого можна буде інтерполювати по сусідніх елементах, у тому числі безпосередньо в самому сенсорі. У матричних ПЗЗ такий дефект дуже часто призводить до непрацездатності всього перетворювача в цілому. Тим самим, вихід придатних фотоприймачів, виконаних за КМОН технологією, особливо при великій площі кристала, істотно вище, ніж для ПЗЗ технології.
Чутливість фотоприймача - визначається коефіцієнтом збору світлового потоку, квантовою ефективністю і власними шумами. Наявність великої кількості транзисторів в кожному пікселі призводить до зниження коефіцієнта використання світлового потоку в КМОН сенсорах, однак застосування добре відпрацьованою в матричних ПЗЗ із рядковим переносом технології мікролінз, розташованих над фотодіодом (on-chip-microlenses) дозволяє домогтися дуже високих значень коефіцієнта збору, що наближаються в перспективі до 100%. Використання оптимізованих структур сучасних фотодіодів в якості світлочутливого елемента, максимізує квантовий вихід, а наявність вбудованого в піксель активного підсилювача теоретично дозволяє досягти меншого рівня шумів, ніж в ПЗС структурах. Також благотворним чинником, що впливає на зниження власного шуму є зменшення смуги частот обробки відеосигналу при застосуванні паралельної обробки відеосигналів всіх пікселів рядка або ж всього фотоприймача. Вже в існуючих КМОН сенсорах з активним піксельом коефіцієнт перетворення заряду в напругу може становити сотні мкВ на електрон в порівнянні з десятками мкВ на електрон в кращих фотоприймача на ПЗЗ.
Однак, недостатня відпрацьованість технології, що виявляється в тому числі в неможливості створення мегапіксельного масиву малошумових транзисторів призводить до того, що шуми КМОН фотоприймачів поки перевищують шуми ПЗЗ перетворювачів і їх чутливість при рівності таких факторів як час накопичення і розмір світлочутливого елемента поки поступається (приблизно на порядок) чутливості матричних ПЗЗ.
Характеристики спектральної чутливості - в цілому ідентичні характеристиками матричних ПЗЗ і в першу чергу визначаються типом і особливостями застосованого кремнієвого світлочутливого елемента - МОН ємності або фотодіода[8]. У той же час відомі КМОН сенсори, в яких схеми зчитування виконані по кремнієвій технології, а в якості фоточутливих елементів використані спеціальні шари. Така структура дозволяє створювати КМОН фотоприймачі ІЧ діапазону.
Помилкові сигнали, що виникають в процесі фотоелектричного перетворення і зчитування відеосигналу, в КМОН сенсорах пов'язані з темновим струмом і розкидом чутливості. З точки зору темнового струму фотодіод КМОН сенсора може бути оптимізовано також як і в матричних ПЗЗ з рядковим переносом. Однак наявність активних підсилювачів, схем посилення і обробки, в тому числі розташованих безпосередньо в пікселі, призводить до того, що тепло виділяється безпосередньо в тому місці, де накопичуються фотоелектрони, що, природно, викликає зростання темного струму за рахунок збільшення температури. Однією з основних проблем сучасних КМОН сенсорів є наявність так званого геометричного шуму (Fixed Pattern Noise) - детермінованої компоненти, викликаної нерівномірністю відеосигналу сусідніх стовпців і рядків. На зображенні геометричний шум проявляється зазвичай у вигляді вертикальної структури, особливо проявляється на чорному при малих рівнях освітленості. В даний час чинником, що обмежує порогову чутливість КМОН фотоприймачів в першу чергу є саме геометричний, а не флуктуаційний шум. Дане обмеження носить технологічний характер і буде подолане у міру вдосконалення технології і збільшенні обчислювальної потужності цифрового процесора, розташованого на кристалі[9]. В той же час в КМОН сенсорах повністю відсутні артефакти, викликані неефективністю перенесення і так званий вертикальний змаз (вертикальний стовп на зображенні від яскравих деталей), притаманний матричним ПЗЗ. Це пояснюється тим, що заряд зчитується в тому ж місці, де і формується та механізми утворення змазу і неефективності відсутні. Проблеми блумінгу, що виникають при пересвітках, вирішуються тими ж способами, які відпрацьовані в матричних ПЗЗ. Спостереженню об'єктів при малих освітленнях перешкоджає світіння польових транзисторів. У матричних ПЗЗ світіння зазвичай пов'язане з транзисторами вихідного вузла і проявляється у вигляді фону, плавно зменшується від лівого верхнього кута зображення. У КМОН сенсорах транзистори розташовані безпосередньо в пікселі і їх світіння може призвести до утворення паразитного заряду, який вносить до того ж свої дробові шуми.
Динамічний діапазон КМОН сенсорів визначається максимальним зарядовим пакетом, накопиченим в світлочутливому елементі і шумами зчитування або ж геометричним шумом. З цієї точки зору динамічний діапазон КМОН сенсора порівняємо з динамічним діапазоном матричного ПЗЗ з аналогічним розміром пікселя. Однак, можливість варіювання характеристик світлочутливого елемента і схем зчитування дозволяє побудувати КМОН сенсор з логарифмічною залежністю вихідного сигналу від освітленості і довести робочий динамічний діапазон до 132 дБ. Відомим методом розширення динамічного діапазону в матричних ПЗЗ є підсумовування зарядових пакетів сусідніх пікселів по горизонталі і вертикалі безпосередньо на перетворювачі до моменту зчитування. У КМОН сенсорах з координатною адресацією таке підсумовування (binning) важке, однак відомі сенсори, в яких може бути організовано підсумовування довільного числа зарядових пакетів сусідніх елементів.
У сучасних матричних ПЗЗ зарядовий пакет при своєму русі до вихідного пристрою може проходити макровідстані, складові десятки міліметрів. При цьому швидкість перенесення зазвичай обмежена частотою тактування фазних електродів вихідного регістра і рідко перевищує 40 МГц. Подальше збільшення частоти переносу призводить до підвищення неефективності, збільшення споживаної потужності, зниженню керуючої здібності і т. д. Таке обмеження частоти зчитування призводить до відповідних обмеженням досяжною кадрової частоти і вимагає для збільшення методів паралельного зчитування та подальшої зшивки зображення. У КМОН сенсорах частоти опитування пікселів в 50 МГц є типовими, і в кращих зразках дана частота перевищує 100 МГц. З урахуванням того, що розпаралелювання виходів в КМОН сенсорах реалізується навіть простіше, ніж в матричних ПЗЗ, досягнення високих кадрових частот і, відповідно, кращих динамічних характеристик, для КМОН сенсорів є більш простим завданням. В даний час на ринку швидкодіючих камер представлено цілий ряд фірм, що реалізують кадрові частоти вище 1 кГц.
Перспективи телекамер на КМОН фотоприймачах пов'язані з тим, що саме цей тип приладів буде найбільш яскраво уособлювати об'єднання зв'язку та рукотворних кристалів.
Перспективи телекамер на КМОН фотоприймачах пояснюються їх двома принциповими особливостями реалізації кодування джерела та кодування каналу. По-перше, це реалізація безпосередньо в кристалі до комутаційного посилення зображень, раніше здійснювався тільки за допомогою електронно-оптичного перетворення в вакуумних приладах з використанням високих напруг. Але властивості, що впливають на надійність приладу - необхідність забезпечення вакууму і підтримки роботи приладу кіловольт - не головні недоліки електронно-оптичних перетворювачів (ЕОП, в англомовній літературі званих підсилювачами зображень, Image Intensifier, II)[10]. Набагато важливіше їх інформаційні характеристики, принципово відрізняються від характеристик твердотільних фотоприймачів: потенційна чутливість і роздільна здатність. Потенційна чутливість телекамер КМОН фотоприймача вище, ніж у ПЗЗ, не тільки завдяки докомутаційному посиленню, але і тому, що в КМОН вдається реалізувати багатоканальне зчитування із збільшенням числа каналів від одного до числа стовпців і навіть до числа елементів в матриці. Це дозволяє різко скоротити смугу частот в кожному парціальному каналі зчитування та зменшити вплив власних шумів приладу. Низька квантова ефективність електронно-оптичних перетворювачів в порівнянні з твердотільними фотоприймачами пов'язана з розходженням використовуваного виду фотоелектричного ефекту: в твердотільних приладах використовується внутрішній фотоефект, в ЕОП - зовнішній фотоефект. Роздільна здатність електронно-оптичних перетворювачів в кращому випадку досягає 30 ліній на міліметр, що в кілька разів поступається можливостям твердотільних матриць.
По-друге, КМОН телекамери швидко еволюціонують у бік відеосистем на кристалі, в яких здійснюється різна обробка відеоінформації - і кодування джерела, і кодування каналу - безпосередньо на тому ж кристалі, на якому розташований фотоприймальний масив елементів. Нова топологія приладу наочно ілюструє нові проблеми синтезу відеосистем на кристалі, що проявляються в задачі розподілу площі кристалу між фотоприймачем і пристроєм обробки сигналів і в задачі проектування безлічі паралельних швидкодіючих каналів зв'язку фотоприймального масиву з обчислювачами (останні для збільшення продуктивності давно будуються з використанням методу розпаралелювання обчислень) . Вже існують відеосистеми на кристалі, які здійснюють перетворення потоку фотонів в потік координат об'єктів в задачі вимірювання динамічних спотворень хвильового фронту (предметно орієнтований кодер джерела). На порозі поява відеосистем на кристалі, об'єднуючих фотоприймальну матрицю великого формату (телебачення високої чіткості) і кодер джерела (тобто пристрій стиснення зображення) в одному з перспективних стандартів. Зараз найбільш популярні MPEG-2 та MPEG-4, але будуть і більш ефективні. Так само існують відеосистеми на кристалі, що поєднують в собі перший етап кодування джерела (накопичення і посилення сигналів) з кодуванням каналу, орієнтованим на комп'ютерні мережі - USB, Ethernet (поки ці елементи в КМОН телекамерах виконуються на окремих ВІС). Тому можна прогнозувати еволюцію КМОН телекамер до нового типу НВІС - відеосистем на кристалі високої системної інтеграції, що включає в себе і фотоприймальний масив, і всі види кодування - кодування джерела та кодування каналу, забезпечуючи рівноважне узгодження джерела з каналом, коли вирівнюються швидкість створення інформації джерелом і швидкість її передачі через канал зв'язку, і реалізується принцип мінімуму інформації при призначеній якості інформації[11].
2 РОЗРАХУНОК КМОН ФОТОДІОДНИХ НВІС
2.1 КМОН фотодіодні мікросхеми
Сьогодні фоточутливі ВІС і камери на їх основі можна знайти в найрізноманітнішому електронному обладнанні - автомобільній електроніці, комп'ютерних відеосистемах, побутових відеокамерах і фотоапаратах, відеотелефонах, біомедичних системах, іграшках, зчитувачах штрихових кодів, системах спостереження, охорони і безпеки. До недавнього часу на ринку фоточутливих ВІС домінували фоточутливі ПЗЗ (ФПЗЗ). Однак у міру розвитку КМОН технології ФПЗЗ все активніше витісняються більш дешевими (завдяки масовій технології виготовлення) КМОН-фотодіодними(КМОН-ФД) мікросхемами, що дозволяють реалізувати однокристальні цифрові камери.
КМОН-ФД мікросхеми з'явилися в результаті розвитку фотодіодних матриць, координатна вибірка в яких здійснювалася з допомогою N-канальних МОН дешифраторів і регістрів, сформованих на тому ж кристалі. Основний недолік таких N-канальних МОН-фотодіодних матриць - мала амплітуда вихідних сигналів і високий рівень шумів. Це обумовлено зчитуванням сигнальних набоїв на шини стовпців, ємність яких велика і пропорційна числу пікселів у стовпчику, тобто пропорційна формату матриці. І оскільки МОН-фотодіодні матриці суттєво програвали ФПЗЗ, їх розробки були припинені.
У результаті до 2002 року з'явилися матричні ФПЗС формату 4096х4096 пікселів, лінійні матриці з декількома виходами, містять 8000-12000 пікселів (фірма Kodak), а також ФПЗЗ з тимчасовою затримкою і накопиченням, форматом 576х128 пікселів, працюють в широкому діапазоні швидкостей руху зображення (фірма Dasla). Разом з тим, високий рівень розвитку і широке поширення КМОН технології дозволили, в кінці кінців, реалізувати КМОН фотодіодні матриці з активними елементами. І сьогодні в області фоточутливих НВІС крім подальшого вдосконалення ФПЗЗ спостерігаються інтенсивні розробки КМОН-ФД матриць з внутрішньокристальними схемами управління і обробки зображення[12].
2.2 Структура телекамер на КМОН фотоприймачах
Цифрові телевізійні камери, що використовують фотоприймачі, виготовлені за технологією комплементарних структур метал-оксид-напівпровідник (КМОН, англійський термін CMOS) отримали назву КМОН сенсорів або КМОН камер. В англійській технічній літературі найбільшого поширення набула абревіатура CIS (CMOS Image Sensor). Використання технології КМОН має цілий ряд переваг в порівнянні з давно розвивається та широко вживаною технологією приладів із зарядовим зв'язком (ПЗЗ)[13], причому більша частина переваг пов'язана з так званою координатної або XY-адресацією, тобто можливістю довільного доступу в довільному порядку до будь якого пікселю зображення.
Твердотільні фотоприймачі з координатною адресацією почали свій розвиток значно раніше винаходи Бойлом і Смітом технології ПЗЗ в 1969 р. У 60-і роки більші надії зв'язувалися з фото-транзисторними матрицями, що мають у своєму складі зсувні регістри, що здійснюють сканування матриці фотодіодів по горизонталі і вертикалі. Однак недостатній розвиток кремнієвої технології в ті роки не дозволило отримати якісне зображення. Чутливість фотоприймачів була низькою, а саме зображення було уражено так званим геометричним шумом, що виявляється у вигляді смугастої структури на зображенні. Дана структура була в першу чергу пов'язана з нерівномірністю чутливості і темнового струму стовпців, рядків і пікселів фотоприймача.
Фотоприймачі на основі координатної адресації також намагалися побудувати з використанням технології приладів із зарядовим інжекцією (ПЗІ, Charge Injection Device, CID). Лідером у цій галузі протягом ряду років була фірма Hitachi, проте низька чутливість, високі значення флуктуаційного і геометричного шуму не дозволяли цим перетворювачам конкурувати з технологією ПЗЗ.
У середині і, в особливості, в кінці 90-х років технологія ПЗЗ була завдяки підвищенню точності виготовлення (ультрафіолетова літографія) доведена практично до досконалості. Квантова ефективність кращих фотоприймачів наблизилася до 100%, темнові заряди і власні шуми впали до одиниць електронів на піксель навіть у відносно недорогих, серійно випускних приладах. Однак особливість багаторівневої технології ПЗЗ не дозволяла інтегрувати на той же кристал, що і фотоприймач, інші вузли телевізійної камери, такі як синхрогенератор, відеопроцесор, схеми управління, АЦП.
Технологією ПЗЗ володіло обмежене число фірм-виробників електронної техніки, в першу чергу активно працюють на ринку відеододатків. До них можна віднести фірми Sony, Sharp, Toshiba, Matsushita (Японія), LG, Samsung (Корея), Philips, Thomson, Texas Instruments, Fairchild, Dalsa, Kodak (Європа і Північна Америка). З іншого боку, в цей же час бурхливо розвивалася технологія виробництва мікросхем статичної та динамічної пам'яті для персональних комп'ютерів на основі технології КМОН, зазвичай мають організацію з довільним координатним доступом. У цьому напрямку працювали багато технологічні гіганти електронної промисловості, такі як Hewlеtt-Paccard, Atmel, Micron (США). Ступінь інтеграції цих, відносно просто організованих інтегральних схем перевищила мільярд транзисторів на кристалі.
Наступним кроком у розвитку КМОН-сенсорів була ідея про об'єднання світлочутливої секції, що представляє собою матрицю фотодіодів і набір зчитувальних шин і керуючих регістрів, аналогічних застосовуваним в мікросхемах пам'яті. Однак ємність шин зчитування залишалася високою, що не дозволяло говорити про високі чутливості і відношенні сигнал / шум. Прорив у цій галузі стався в 1993 р. у зв'язку з винаходом Еріком Р. Фоссамом технології Активний піксел (APS, Active Pixel Sensor). Введення підсилювального каскаду в кожен світлочутливий елемент дозволило позбутися проблем, пов'язаних з ємністю зчитувальних шин і знизити геометричний шум до прийнятних значень.
Подальший розвиток КМОН сенсорів був пов'язаний із збільшенням числа транзисторів в пікселі, інтеграції на той же кристал аналогових і цифрових схем управління і обробки відеосигналу, підвищенням чутливості і відношення сигнал-шум, збільшення числа елементів розкладання і т. п. Все це стало можливим завдяки тому, що технологія КМОН дозволяє досить просто розміщувати на тому ж кристалі, що і фотоприймач, такі складні вузли, як АЦП. Розвиток КМОН сенсорів за останні 15 років характеризується кількома етапами, що характеризуються зміною їх структури[14].
Перше покоління КМОН-сенсорів носить назву Сенсор з пасивним піксельом (Passive Pixel Sensor, PPS). Їх особливістю є найбільший зв'язок із мікросхемами динамічної або статичної пам'яті. Даний вид сенсора, крім матриці фотодіодів містить: регістр, який здійснює вибір рядка; ключові польові транзистори, що здійснюють комутацію фотодіодів обраного рядка до вертикальних відеошин; аналоговий мультиплексор, який здійснює підключення відеосигналу з вибраного фотодіода до вихідного підсилювача (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – КМОН сенсор з пасивним піксельом
Висока ємність вертикальної відеошини, підсумовується з ємністю горизонтальної шини, не дозволяла отримати прийнятний рівень відеосигналу при обмеженому обсязі зарядового пакету і, як наслідок, даний вид сенсора забезпечує низьке відношення сигнал / шум.
Для зниження впливу ємностей в сенсор з пасивним піксельом були введені підсилювачі відеосигналу на кожен стовпець (рис. 2.2).
Рисунок 2.2 – КМОН сенсор з пасивним піксельом і активним стовбцем
Таке
рішення дозволило усунути
Революційність цієї технології пов'язана з тим, що підсилювач (в найпростішому випадку однотранзисторний витоковий повторювач) розміщується безпосередньо в кожному пікселі фотоприймача. Тим самим ємність зчитування і ємність вертикальної відеошини виявляються розділеними цим підсилювачем. При цьому ємність зчитування може мати той же порядок, що і в ПЗЗ - одиниці фемтофарад.
З
урахуванням підсилювача
Рисунок 2.3 – КМОН сенсор з активним піксельом і активним стовбцем
Інший важливий напрямок розвитку КМОН сенсорів був пов'язаний з тим, що як вже говорилося вище, КМОН технологія дозволяє інтегрувати різні вузли телевізійної камери на той же кристал і дає розробникові можливість використання дуже великої кількості польових транзисторів для реалізації тих чи інших вузлів.
Наступним
кроком на цьому шляху була реалізація
аналого-цифрового
Однією з особливостей КМОН сенсорів є можливість реалізації високої
частоти опитування, що перевищує частоту зчитування зарядових пакетів з ПЗЗ. У зв'язку з цим вимоги по швидкодії до АЦП, встановленому в КМОН сенсорі, виявляються досить жорсткими.
Рисунок 2.4 – КМОН сенсор з активним піксельом, активним стовбцем і одним АЦП
Висока частота зчитування приводить до широкої смуги частот відеосигналу і гіршим шумовим характеристикам, а велика частота перетворення АЦП - до великого виділенню потужності.