Capteur d'image CMOS | C'est des types importants et un principe de fonctionnement

CONTENU

  • Qu'est-ce que le capteur d'image CMOS?
  • Différents types
  • Principe de fonctionnement
  • Conception
  • Architecture

Capteur d'image CMOS

Image de couverture par - Zach DischnerOrnement de bureau Nerd-Tographer (9698639550)CC BY 2.0

Qu'est-ce que le capteur d'image CMOS?

Capteur d'image et de couleur CMOS:

Les capteurs d'image à semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire (CMOS) sont constitués de photodiodes et de circuits à signaux mixtes capables d'amplifier de petits photocourants en signaux numériques. Le capteur d'image CMOS est l'un des meilleurs cricuitry pour de multiples applications liées à la photographie, à savoir les caméras vidéo numériques, les scanners photo, la machine Xerox, l'impression et divers autres. Le CMOS est de nos jours utilisé en raison de son utilisation multiple et de sa technique de fabrication simple, même avec une contrainte de sensibilité par rapport au CCD.

Trois types de topologie des capteurs de couleur CMOS sont discutés, à savoir l'amplificateur à transimpédance (TIA), le convertisseur lumière-fréquence et l'intégration de la lumière.

Capteur d'image CMOS
Crédit d'image: Filya1MatriceCC BY-SA 3.0

Principe de fonctionnement du capteur d'image CMOS:

En général, quatre types de procédures sont disponibles

  • CMOS standard,
  • CMOS à signaux mixtes analogiques,
  • CMOS numérique et
  • Processus de capteur d'image CMOS.

La différence la plus évidente entre ce processus et les autres processus est la disponibilité d'appareils photo, comme une photodiode épinglée. Les avantages de la technologie de plus petite dimension sont un pixel plus petit, une résolution spatiale élevée et une consommation d'énergie plus faible. Une technologie inférieure à 100 nm nécessite une modification du processus de fabrication (ne suivant pas la feuille de route numérique) et de l'architecture des pixels.

Les paramètres fondamentaux tels que le courant de fuite (affectera la sensibilité à la lumière) et la tension de fonctionnement (affecteront la plage dynamique, c'est-à-dire la saturation, une photodiode épinglée ne fonctionnera probablement pas à basse tension sont très importants lorsqu'un processus est sélectionné pour le développement CIS. En raison de ces limitations, une nouvelle technique de circuit est introduite:

1. Un ancien circuit, tel qu'un circuit de pixel standard, ne peut pas être utilisé lors de l'utilisation de 0.1 micron et moins. Cela est dû à la topologie qui nécessite une haute tension; car la tension d'alimentation maximale est maintenant plus basse.

2. Le circuit d'étalonnage et le circuit d'annulation sont normalement utilisés pour réduire les bruits.

Afin d'augmenter la résolution en multi-mégapixels et en centaines de fréquences d'images, une technologie de dimension inférieure est normalement choisie. De toute évidence, il a été rapporté que 0.13 micron et 0.18 micron sont suffisamment bons pour obtenir de bonnes performances d'imagerie.

Ces modifications du processus CMOS ont commencé à 0.25 micron et moins pour améliorer leurs caractéristiques d'imagerie. Comme la mise à l'échelle du processus sera bien inférieure à 0.25 micron et moins, plusieurs paramètres fondamentaux sont dégradés, à savoir la photo-réactivité et le courant d'obscurité. Par conséquent, les modifications visent à atténuer ces dégradations de paramètres. Les exigences du système (telles que la tension d'alimentation et la température) sont également l'un des critères de sélection d'un processus approprié.

Le prix de l'outil et les coûts de développement détermineront également le choix du processus.

Appareils photo Detetor

Les dispositifs photo-détecteurs typiques sont la photodiode et le phototransistor. Les dispositifs à photodiode typiques sont N + / Psub, P + / N_well, N_well / Psub et P + / N_well / Psub (diode dos à dos) [9]. Les dispositifs à phototransistor sont P + / n_well / Psub (transistor vertical), P + / N_well / P + (transistor latéral) et N_well / gate (phototransistor lié).

Ces appareils photo standard nécessitent toujours un micro-objectif et un réseau de filtres couleur. L'efficacité quantique des photodiodes dans un CMOS standard est généralement inférieure à 0.3.

Les dispositifs qui sont normalement développés pour le processus CMOS modifié sont un photogate, une photodiode épinglée et une diode en silicium amorphe. Ces dispositifs amélioreront la sensibilité du CIS. Une photodiode épinglée, qui a un faible courant d'obscurité, offre de bonnes caractéristiques d'imagerie pour le CIS.

Les photodispositifs présentent la capacité parasite, qui doit être prise en compte lors du processus de conception. Un exemple de la capacité parasite de N_well / Psub est:

                       Cphoto = (capacité par zone) × surface du photodispositif.

Méthodologie de conception des capteurs d'image CMOS:

Le flux de conception typique du capteur d'image CMOS est illustré ci-dessous.

Flux de conception typique du capteur d'image CMOS
Flux de conception typique du capteur d'image CMOS

Une simulation de propagation des ondes peut être réalisée pour la simulation optique. Des outils de conception assistée par ordinateur de technologie disponibles dans le commerce, tels que ceux de Synopsys et Silvaco, peuvent être utilisés pour simuler le processus ou la technologie des photodispositifs. Il existe un travail, (simulation en mode mixte) qui combine la technologie de conception assistée par ordinateur et de simulation au niveau des pixels.

Il existe de nombreux outils d'automatisation de conception électronique disponibles pour la simulation électrique de pixels, ces outils d'automatisation de conception électronique sont similaires à tout circuit intégré (IC) outil de conception, tel que spectre, SPICE, Verilog-A et Verilog. Ces outils peuvent parfois prendre du temps si le nombre de pixels est important.

En effet, si de grands pixels associés au processus submicronique profond sont nécessaires, plus de capital doit être fourni (le coût des outils est plus cher pour le submicron très profond, en particulier en dessous de 90 nm). Même si la fonderie CMOS fournit les modèles pour les outils de conception pris en charge, les concepteurs doivent parfois modéliser eux-mêmes le sous-bloc pour répondre aux spécifications CIS. Cela peut accélérer le temps de simulation électrique des pixels, mais cela dégradera la précision. Pour la simulation de système, VHDL-AMS, System-C ou MATLAB peut être utilisé pour prédire la fonction et les performances globales.

Architecture du capteur d'image CMOS:

Pixel Level ADC - Un capteur de pixels numériques (DPS) offre une large plage dynamique. Le DPS convertit les valeurs analogiques en un signal numérique dans la plage de pixels. Le traitement peut également être effectué au niveau du pixel.

Appareil sensible numérique positif, crédit d'image - Georg Wiora (Dr Schorsch), Dispositif numérique sensible à la positionCC BY-SA 3.0

ADC de niveau de puce - L'ADC au niveau de la puce ou parfois l'ADC au niveau de la matrice est illustré dans la figure ci-dessous.

ADC au niveau de la matrice

L'ADC pour cette topologie doit être très rapide, cette topologie consommerait également un courant très élevé. Le type ADC adapté à la topologie CIS est l'ADC en pipeline. Cependant, des registres d'approximation (SAR) et ADC de type flash successifs ont également été signalés dans la conception CIS. L'équilibre entre la puissance absorbée globale nécessaire et la vitesse de fonctionnement est donc essentiel.

Digital Pixel Sensor - Le concept DPS est similaire à la solution utilisée dans la puce CMOS neuron-stimulus. Le DPS en nombre se révèle utile pour la compression sur puce. La photodiode est utilisée pour décharger la capacité d'entrée du comparateur et la photodiode elle-même. Il sera déchargé proportionnellement à l'intensité lumineuse. Lorsque celui-ci atteint le seuil, l'O / P du comparateur est déclenché.

Technique de faible puissance dans le capteur d'image CMOS:

Méthode de polarisation: la région sous-seuil ou la faible polarisation d'inversion est l'une des approches pour obtenir une faible consommation de courant. Cette technique peut être appliquée à un amplificateur de transconductance opérationnel (OTA) ou à un amplificateur pour un CAN. La polarisation de région de triode peut également être utilisée pour réduire davantage la consommation d'énergie.

Technique de circuit: Le verrou régénératif peut être utilisé pour réduire la consommation d'énergie numérique. La réduction / mise à l'échelle des condensateurs dans les étages de pipeline (pour ADC) peut également réduire la consommation d'énergie.

Technique avancée de gestion de l'énergie: Un autre type de technique de polarisation ou de circuit, une approche «intelligente», telle que la récolte d'énergie solaire, peut également être utilisée pour réduire la consommation d'énergie. Nous pouvons également activer sélectivement uniquement le circuit de lecture requis. Les pixels peuvent également être activés périodiquement pour réduire davantage la consommation d'énergie.

Techniques à faible bruit dans le capteur d'image CMOS:

Au niveau du pixel: le bruit thermique peut être réduit par un double échantillonnage et un suréchantillonnage corrélés. Le bruit de scintillement est réduit en utilisant un grand dispositif, en polarisant périodiquement le transistor et en polarisant correctement la tension du substrat PMOS.

Niveau de colonne: l'étalonnage hors puce peut être utilisé pour réduire le bruit de motif fixe. L'étalonnage est effectué pour sélectionner les poids de condensateurs appropriés dans le SAR ADC.

Niveau ADC: Le bruit kT / C est réduit en sélectionnant une valeur appropriée pour Cf et Cs du circuit S / H et du tampon.

Niveau de photodiode: le gain de conversion élevé aide à réduire le bruit d'entrée référencé.

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À propos de Soumali Bhattacharya

Je suis actuellement investi dans le domaine de l'électronique et de la communication.
Mes articles se concentrent sur les principaux domaines de l'électronique de base dans une approche très simple mais informative.
Je suis un apprenant vif et j'essaie de me tenir au courant de toutes les dernières technologies dans le domaine de l'électronique.

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