Розрахунок і оптимізація активного елементу

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 вплив  на амплітуду відеосигналу ємності горизонтальної відеошини. Вплив ємності вертикальної шини на відеосигнал було подолано в КМОН сенсорі з активним піксельом (Active Pixel Sensor, APS, рис. 2.3).

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 коефіцієнт перетворення заряду в напругу виявляється  не нижче, а навіть вище, ніж у фотоприймачі на ПЗЗ. Це в корені вирішує проблему чутливості і відношення сигнал / шум. Розвиток технології активних пікселів надалі йшов по шляху поліпшення якісних характеристик фотодіодів і транзисторів, а також по шляху збільшення транзисторів в кожному пікселі.

 

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 перетворювача  на тому ж кристалі, рис.2.4.

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.