CMOS-Bildsensor: 5 vollständige schnelle Fakten

INHALT

• Was ist ein CMOS-Bildsensor?
• Verschiedene Typen
• Arbeitsprinzip
• Entwerfen
• Architektur

Titelbild von - Zach Dischner, Nerd-Tographer-Schreibtischornament (9698639550), CC BY 2.0

Was ist ein CMOS-Bildsensor?

CMOS Bild- und Farbsensor:

Komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS) -Bildsensoren bestehen aus Fotodioden mit und gemischten Signalschaltungen, die die Fähigkeit haben, kleine Fotoströme in digitale Signale zu verstärken. Der CMOS-Bildsensor ist einer der besten Geräte für verschiedene fotografische Anwendungen, z. B. digitale Videokameras, Fotoscanner, Xerox-Geräte, Druckgeräte und verschiedene andere. CMOS werden heutzutage aufgrund ihrer Mehrfachverwendung und seiner einfachen Herstellungstechnik verwendet, selbst wenn die Empfindlichkeit im Vergleich zu CCD konstant bleibt.

Drei Arten der Topologie von CMOS-Farbsensoren werden diskutiert, nämlich der Transimpedanzverstärker (TIA), der Licht-Frequenz-Wandler und die Lichtintegration.

Funktionsprinzip des CMOS-Bildsensors:

Im Allgemeinen stehen vier Arten von Verfahren zur Verfügung

• Standard-CMOS,
• Analog-Mixed-Signal-CMOS,
• Digitales CMOS und
• CMOS-Bildsensorprozesse.

Der offensichtlichste Unterschied zwischen diesem Prozess und den anderen Prozessen ist die Verfügbarkeit von Fotogeräten, wie beispielsweise einer fixierten Fotodiode. Die Vorteile der Technologie mit kleineren Abmessungen sind kleinere Pixel, hohe räumliche Auflösung und geringerer Stromverbrauch. Eine Technologie unter 100 nm erfordert eine Änderung des Herstellungsprozesses (nicht nach der digitalen Roadmap) und der Pixelarchitektur.

Grundlegende Parameter wie Leckstrom (beeinflusst die Lichtempfindlichkeit) und Betriebsspannung (beeinflussen den Dynamikbereich, dh die Sättigung, bei der eine festgesteckte Fotodiode bei einer niedrigen Spannung höchstwahrscheinlich nicht funktioniert, sind sehr wichtig, wenn ein Prozess durchgeführt wird Ausgewählt für die CIS-Entwicklung. Aufgrund dieser Einschränkungen wird eine neue Schaltungstechnik eingeführt:

1. Eine alte Schaltung, wie beispielsweise eine Standardpixelschaltung, kann nicht verwendet werden, wenn 0.1 Mikron und weniger verwendet werden. Dies liegt an der Topologie, die Hochspannung erfordert; weil die maximale Versorgungsspannung jetzt niedriger ist.

2. Kalibrierungsschaltung und Löschschaltung werden normalerweise verwendet, um Geräusche zu reduzieren.

Um die Auflösung in Multi-Megapixel und Hunderte von Bildraten zu erhöhen, wird normalerweise eine Technologie mit niedrigeren Dimensionen gewählt. Offensichtlich wurde berichtet, dass 0.13 Mikron und 0.18 Mikron gut genug sind, um eine gute Abbildungsleistung zu erzielen.

Diese Modifikationen des CMOS-Prozesses haben bei 0.25 Mikron und darunter begonnen, um ihre Abbildungseigenschaften zu verbessern. Da die Prozessskalierung viel niedriger als 0.25 Mikron und darunter sein wird, werden einige grundlegende Parameter verschlechtert, nämlich die Lichtempfindlichkeit und der Dunkelstrom. Daher konzentrieren sich die Modifikationen darauf, diese Parameterverschlechterungen zu mildern. Systemanforderungen (wie Versorgungsspannung und Temperatur) sind ebenfalls eines der Kriterien bei der Auswahl eines geeigneten Prozesses.

Der Preis der Werkzeug- und Entwicklungskosten bestimmt auch die Prozessauswahl.

Fotodetektorgeräte

Das typische Fotodetektorgeräte sind Fotodioden und Fototransistor. Typische Fotodioden sind N+/Psub, P+/N_well, N_well/Psub und P+/N_well/Psub (Back-to-Back-Diode) [9]. Fototransistorbauelemente sind P+/n_well/Psub (vertikaler Transistor), P+/N_well/P+ (lateraler Transistor) und N_well/gate (gebundener Fototransistor).

Diese Standard-Fotogeräte erfordern immer noch ein Mikrolinsen- und Farbfilterarray. Die Quanteneffizienz von Fotodioden in einem Standard-CMOS liegt normalerweise unter 0.3.

Die Vorrichtungen, die normalerweise für den modifizierten CMOS-Prozess entwickelt werden, sind ein Photogate, eine festgesteckte Fotodiode und eine amorphe Siliziumdiode. Diese Geräte verbessern die Empfindlichkeit des CIS. Eine festgesteckte Fotodiode mit geringem Dunkelstrom bietet gute Abbildungseigenschaften für die GUS.

Die Fotogeräte weisen die parasitäre Kapazität auf, die während des Entwurfsprozesses berücksichtigt werden sollte. Ein Beispiel für die parasitäre Kapazität von N_well / Psub ist:

                       C_{für Ihre privaten Foto} = (Kapazität pro Fläche) × Fotogerätfläche.

Entwurfsmethodik von CMOS-Bildsensoren:

Der typische Entwurfsablauf des CMOS-Bildsensors ist unten gezeigt.

Für die Optiksimulation kann eine Wellenausbreitungssimulation durchgeführt werden. Kommerziell erhältliche computergestützte Entwurfswerkzeuge wie Synopsys und Silvaco können verwendet werden, um den Prozess oder die Technologie der Fotogeräte zu simulieren. Es gibt eine Arbeit (Mixed-Mode-Simulation), die die Technologie computergestütztes Design und Simulation auf Pixelebene kombiniert.

Es gibt viele Werkzeuge zur Automatisierung des elektronischen Entwurfs für die elektrische Simulation von Pixeln. Diese Werkzeuge zur Automatisierung des elektronischen Entwurfs ähneln jeder integrierten Schaltung (IC) Design-Tool wie Spectre, SPICE, Verilog-A und Verilog. Diese Werkzeuge können manchmal zeitaufwändig sein, wenn die Anzahl der Pixel groß ist.

Wenn große Pixel zusammen mit dem Tief-Submikron-Prozess erforderlich sind, muss mehr Kapital bereitgestellt werden (die Kosten für Werkzeuge sind für sehr tiefe Submikron, insbesondere unter 90 nm, teurer). Obwohl die CMOS-Gießerei die Modelle für unterstützte Designtools bereitstellt, müssen Designer den Unterblock manchmal immer noch selbst modellieren, um der CIS-Spezifikation zu entsprechen. Dies kann die elektrische Simulationszeit für Pixel beschleunigen, beeinträchtigt jedoch die Genauigkeit. Für die Systemsimulation können VHDL-AMS, System-C oder MATLAB verwendet werden, um die Gesamtfunktion und -leistung vorherzusagen.

CMOS-Bildsensorarchitektur:

Pixelebene ADC – Ein digitales Pixelsensor (DPS) bietet einen großen Dynamikbereich. Der DPS wandelt die analogen Werte innerhalb des Pixelbereichs in ein digitales Signal um. Die Verarbeitung kann auch auf Pixelebene erfolgen.

Chip Level ADC - ADC auf Chipebene oder manchmal ADC auf Matrixebene ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Der ADC für diese Topologie muss sehr schnell sein, diese Topologie würde auch einen sehr hohen Strom verbrauchen. Der für die CIS-Topologie geeignete ADC-Typ ist ADC mit Pipeline. Es wurden jedoch auch sukzessive Approximationsregister (SAR) und ADC vom Flash-Typ im CIS-Design berichtet. Das Gleichgewicht zwischen der erforderlichen Gesamtleistung und der Betriebsgeschwindigkeit ist daher von wesentlicher Bedeutung.

Digitaler Pixelsensor - Das DPS-Konzept ähnelt der im CMOS-Neuron-Stimulus-Chip verwendeten Lösung. Die Anzahl der DPS wird für die On-Chip-Komprimierung als nützlich befunden. Die Fotodiode wird verwendet, um die Eingangskapazität des Komparators und der Fotodiode selbst zu entladen. Es wird proportional zur Lichtintensität entladen. Wenn dies den Schwellenwert erreicht, wird das O / P des Komparators ausgelöst.

Low-Power-Technik im CMOS-Bildsensor:

Biasing-Verfahren: Der Subthreshold-Bereich oder das schwache Inversions-Biasing ist einer der Ansätze, um einen niedrigen Stromverbrauch zu erreichen. Diese Technik kann auf eine Betriebstranskonduktanz angewendet werden Verstärker (OTA) oder ein Verstärker für einen ADC. Die Vorspannung der Triodenregion kann auch verwendet werden, um den Stromverbrauch weiter zu reduzieren.

Schaltungstechnik: Das regenerative Latch kann verwendet werden, um den digitalen Stromverbrauch zu reduzieren. Verkleinern/Skalieren der Kondensatoren in den Pipeline-Stufen (für ADC) können ebenfalls den Stromverbrauch reduzieren.

Fortgeschrittene Energieverwaltungstechnik: Eine andere Art der Vorspannungs- oder Schaltungstechnik, ein „intelligenter“ Ansatz, wie das Ernten von Sonnenenergie, kann ebenfalls eingesetzt werden, um den Stromverbrauch zu senken. Wir können auch selektiv nur die erforderliche Ausleseschaltung einschalten. Pixel können auch regelmäßig aktiviert werden, um den Stromverbrauch weiter zu senken.

Techniken mit geringem Rauschen im CMOS-Bildsensor:

Auf Pixelebene: Das thermische Rauschen kann durch korrelierte Doppelabtastung und Überabtastung reduziert werden. Das Flimmerrauschen wird durch Verwendung einer großen Vorrichtung, periodisches Vorspannen des Transistors und geeignete Vorspannung der PMOS-Substratspannung verringert.

Spaltenpegel: Die Off-Chip-Kalibrierung kann verwendet werden, um Rauschen mit festem Muster zu reduzieren. Die Kalibrierung wird durchgeführt, um geeignete auszuwählen Kondensator Gewichte im SAR ADC.

ADC-Pegel: Das kT / C-Rauschen wird durch Auswahl eines geeigneten Werts für C reduziert_f und C_s der S / H-Schaltung und des Puffers.

Fotodiodenpegel: Die hohe Umwandlungsverstärkung trägt dazu bei, das bezogene Eingangsrauschen zu reduzieren.

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Soumali Bhattacharya

Hallo, ich bin Soumali Bhattacharya. Ich habe einen Master in Elektronik gemacht.
Ich bin derzeit im Bereich Elektronik und Kommunikation investiert.
Meine Artikel konzentrieren sich in einem sehr einfachen, aber informativen Ansatz auf die Hauptbereiche der Kernelektronik.
Ich bin ein lebhafter Lerner und versuche, mich über die neuesten Technologien im Bereich der Elektronik auf dem Laufenden zu halten.

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