مستشعر صور CMOS: 5 حقائق سريعة كاملة

المحتويات

  • ما هو مستشعر صور CMOS؟
  • أنواع مختلفة
  • مبدأ العمل
  • تصميم
  • معمار

صورة الغلاف بواسطة - زاك Dischnerزخرفة مكتب الطالب الذي يذاكر كثيرا (9698639550)CC BY 2.0

ما هو مستشعر صور CMOS؟

مستشعر صورة ولون CMOS:

تتكون مستشعرات الصور التكميلية من أشباه الموصلات المعدنية (CMOS) من صمامات ثنائية ضوئية مع دوائر إشارة مختلطة ، مما يتيح القدرة على تضخيم التيارات الضوئية الصغيرة في إشارات رقمية. يعد مستشعر الصور CMOS واحدًا من أفضل أجهزة الاستشعار للعديد من التطبيقات ذات الصلة بالتصوير ، مثل كاميرات الفيديو الرقمية وماسحات الصور وآلة Xerox والطباعة وغيرها من التطبيقات المتنوعة. يتم استخدام CMOS في الوقت الحاضر بسبب استخدامه المتعدد وتقنية التصنيع البسيطة حتى مع وجود حساسية مقارنة مع CCD.

تمت مناقشة ثلاثة أنواع من طوبولوجيا مستشعرات ألوان CMOS ، وهي مضخم المقاومة (TIA) ، ومحول الضوء إلى التردد ، وتكامل الضوء.

مستشعر صور CMOS
حقوق الصورة: Filya1ماتريكسوCC BY-SA 3.0

مبدأ عمل مستشعر صورة CMOS:

بشكل عام ، تتوفر أربعة أنواع من الإجراءات

  • معيار CMOS ،
  • CMOS إشارة مختلطة تناظرية ،
  • CMOS الرقمي و
  • عمليات استشعار الصورة CMOS.

يتمثل الاختلاف الأكثر وضوحًا بين هذه العملية والعمليات الأخرى في توفر أجهزة الصور ، مثل الثنائي الضوئي المثبت. تتمثل مزايا تقنية الأبعاد الأصغر في وجود بكسل أصغر ودقة مكانية عالية واستهلاك أقل للطاقة. تتطلب التكنولوجيا الأقل من 100 نانومتر تعديل عملية التصنيع (لا تتبع خارطة الطريق الرقمية) وبنية البكسل.

تعتبر المعلمات الأساسية مثل تيار التسرب (سيؤثر على الحساسية للضوء) وجهد التشغيل (سيؤثر على النطاق الديناميكي ، أي التشبع ، على الأرجح لن يعمل الثنائي الضوئي المثبت عند الجهد المنخفض ، مهمة جدًا عندما تكون العملية تم اختياره لتطوير CIS. وبسبب هذه القيود ، تم تقديم تقنية دائرة جديدة:

1. لا يمكن استخدام دائرة قديمة ، مثل دائرة البكسل القياسية عند استخدام 0.1 ميكرون وأقل. هذا بسبب الطوبولوجيا التي تتطلب جهدًا عاليًا ؛ لأن الحد الأقصى لجهد الإمداد أقل الآن.

2. دائرة المعايرة ودائرة الإلغاء تستخدم عادة لتقليل الضوضاء.

من أجل زيادة الدقة إلى متعدد الميجابكسل ومئات من معدل الإطارات ، يتم عادةً اختيار تقنية ذات أبعاد أقل. من الواضح أنه تم الإبلاغ عن أن 0.13 ميكرون و 0.18 ميكرون جيدان بما يكفي لتحقيق أداء تصوير جيد.

بدأت هذه التعديلات على عملية CMOS عند 0.25 ميكرون وأقل لتحسين خصائص التصوير. نظرًا لأن تحجيم العملية سيكون أقل بكثير من 0.25 ميكرون وأقل ، فإن العديد من المعلمات الأساسية تتدهور ، وهي استجابة الصور والتيار المظلم. لذلك ، تركز التعديلات على التخفيف من تدهور هذه المعلمات. تعد متطلبات النظام (مثل جهد الإمداد ودرجة الحرارة) أيضًا أحد المعايير في اختيار عملية مناسبة.

سيحدد سعر الأداة وتكاليف التطوير أيضًا اختيار العملية.

أجهزة كشف الصور

نموذجي أجهزة الكشف عن الصور هي الثنائي الضوئي والترانزستور الضوئي. أجهزة الثنائي الضوئي النموذجية هي N + / Psub و P + / N_well و N_well / Psub و P + / N_well / Psub (الصمام الثنائي الخلفي) [9]. أجهزة الترانزستور الضوئي هي P + / n_well / Psub (ترانزستور عمودي) ، P + / N_well / P + (ترانزستور جانبي) ، و N_well / بوابة (ترانزستور ضوئي مرتبط).

لا تزال أجهزة الصور القياسية هذه تتطلب عدسة صغيرة ومجموعة مرشح ألوان. عادة ما تكون الكفاءة الكمية للديودات الضوئية في CMOS القياسي أقل من 0.3.

الأجهزة التي يتم تطويرها عادة لعملية CMOS المعدلة هي فوتوجيت ، ديود ضوئي مثبت ، وديود سيليكون غير متبلور. ستعمل هذه الأجهزة على تحسين حساسية رابطة الدول المستقلة. يوفر الثنائي الضوئي المثبت ، الذي يحتوي على تيار مظلم منخفض ، خصائص تصوير جيدة لرابطة الدول المستقلة.

تعرض الأجهزة الضوئية السعة الطفيلية ، والتي يجب أخذها في الاعتبار أثناء عملية التصميم. مثال على السعة الطفيلية لـ N_well / Psub هو:

                       Cصور = (السعة لكل منطقة) × مساحة الجهاز الضوئي.

منهجية تصميم مجسات الصور CMOS:

يتم عرض تدفق التصميم النموذجي لحساس الصور CMOS أدناه.

تدفق التصميم النموذجي لحساس الصور CMOS
تدفق التصميم النموذجي لحساس الصور CMOS

يمكن إجراء محاكاة انتشار الموجة لمحاكاة البصريات. يمكن استخدام أدوات التصميم بمساعدة الكمبيوتر التكنولوجيا المتاحة تجاريًا ، مثل من Synopsys و Silvaco ، لمحاكاة عملية أو تقنية الأجهزة الضوئية. هناك عمل (محاكاة الوضع المختلط) يجمع بين تقنية التصميم بمساعدة الكمبيوتر والمحاكاة على مستوى البكسل.

هناك العديد من أدوات أتمتة التصميم الإلكتروني المتاحة لمحاكاة البكسل الكهربائية ، وتشبه أدوات أتمتة التصميم الإلكتروني هذه أي دائرة متكاملة (IC) أداة التصميم ، مثل Spice و Verilog-A و Verilog. قد تستغرق هذه الأدوات وقتًا طويلاً في بعض الأحيان إذا كان عدد وحدات البكسل كبيرًا.

في الواقع ، إذا كانت هناك حاجة لوحدات البكسل الكبيرة إلى جانب عملية subicron العميقة ، فيجب توفير المزيد من رأس المال (تكلفة الأدوات تكون أكثر تكلفة بالنسبة للميكرونات العميقة جدًا ، خاصة أقل من 90 نانومتر). على الرغم من أن مسبك CMOS يوفر نماذج لأدوات التصميم المدعومة ، لا يزال يتعين على المصممين أحيانًا تصميم الكتلة الفرعية بأنفسهم لتلائم مواصفات رابطة الدول المستقلة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تسريع وقت المحاكاة الكهربائية بالبكسل ، ومع ذلك ، سيؤدي ذلك إلى تقليل الدقة. لمحاكاة النظام ، يمكن استخدام VHDL-AMS أو System-C أو MATLAB للتنبؤ بالوظيفة والأداء بشكل عام.

هندسة مستشعر صور CMOS:

مستوى البكسل ADC - رقمي يوفر مستشعر البكسل (DPS) نطاقًا ديناميكيًا واسعًا. يحول DPS القيم التناظرية إلى إشارة رقمية ضمن نطاق البكسل. يمكن أيضًا إجراء المعالجة على مستوى البكسل.

جهاز حساس رقمي إيجابي ، صورة ائتمان - جورج ويورا (دكتور شورش), جهاز رقمي حساس للموضعCC BY-SA 3.0

مستوى رقاقة ADC - تم توضيح ADC على مستوى الرقاقة أو أحيانًا ADC على مستوى المصفوفة في الشكل أدناه.

ADC على مستوى المصفوفة

يجب أن يكون ADC لهذا الهيكل سريعًا جدًا ، وستستهلك هذه الهيكلية أيضًا تيارًا عاليًا جدًا. نوع ADC المناسب لطوبولوجيا رابطة الدول المستقلة هو ADC عبر الأنابيب. ومع ذلك ، فقد تم أيضًا الإبلاغ عن سجل التقريب المتتالي (SAR) ونوع الفلاش ADC في تصميم رابطة الدول المستقلة. لذلك فإن التوازن بين مدخول الطاقة الإجمالي اللازم وسرعة التشغيل ضروريان.

مستشعر البكسل الرقمي - يشبه مفهوم DPS الحل المستخدم في شريحة تحفيز الخلايا العصبية CMOS. تم العثور على DPS في الرقم مفيد للضغط على رقاقة. يستخدم الثنائي الضوئي لتفريغ سعة الإدخال للمقارن والثنائي الضوئي نفسه. سيتم تفريغها بشكل متناسب مع شدة الضوء. عندما يصل هذا إلى العتبة ، سيتم تشغيل O / P للمقارنة.

تقنية الطاقة المنخفضة في مستشعر صورة CMOS:

طريقة التحيز: منطقة العتبة الفرعية أو التحيز الانعكاسي الضعيف هو أحد الأساليب لتحقيق الاستهلاك الحالي المنخفض. يمكن تطبيق هذه التقنية على ناقلية تشغيلي المضخم (OTA) أو مكبر للصوت ADC. يمكن أيضًا استخدام انحياز منطقة الصمام الثلاثي لتقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر.

تقنية الدائرة: يمكن استخدام المزلاج التجديدي لتقليل استهلاك الطاقة الرقمية. التقليل / التحجيم المكثفات في مراحل خط الأنابيب (لـ ADC) يمكن أيضًا تقليل استهلاك الطاقة.

تقنية إدارة الطاقة المتقدمة: يمكن أيضًا استخدام نوع آخر من تقنيات التحيز أو الدائرة ، وهو النهج "الذكي" ، مثل حصاد الطاقة الشمسية لتقليل استهلاك الطاقة. يمكننا أيضًا بشكل انتقائي تشغيل دائرة القراءة المطلوبة فقط. يمكن أيضًا تنشيط البكسل بشكل دوري لتقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر.

تقنيات منخفضة الضوضاء في مستشعر صورة CMOS:

على مستوى البكسل: يمكن تقليل الضوضاء الحرارية عن طريق أخذ العينات المزدوج المترابط والأخذ المفرط. يتم تقليل ضوضاء الوميض باستخدام جهاز كبير ، مما يؤدي إلى تحيز الترانزستور بشكل دوري ، والتحيز المناسب لجهد ركيزة PMOS.

مستوى العمود: يمكن استخدام المعايرة خارج الشريحة لتقليل ضوضاء النمط الثابت. يتم إجراء المعايرة لتحديد مناسب مكثف الأوزان في ADC ريال سعودي.

مستوى ADC: يتم تقليل ضوضاء kT / C عن طريق اختيار قيمة مناسبة لـ C.f و جs من الدائرة S / H والمخزن المؤقت.

مستوى الثنائي الضوئي: يساعد الكسب العالي للتحويل على تقليل ضوضاء الإدخال المشار إليها.

لمزيد من المقالات المتعلقة بالإلكترونيات انقر هنا

اترك تعليق

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول المشار إليها إلزامية *

انتقل إلى الأعلى