Исследование технологических характеристик CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП) электронно-оптических преобразователей

Исследование технологических характеристик CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП) электронно-оптических преобразователей

А.С. Удовина,

ДЦмаг-6-1

В настоящее время в качестве первичного оригинала для полиграфического репродуцирования используется цифровая фотография, что определяет высокие требования к качеству цифрового изображения. Главная отличительные особенности цифровых фотокамер -это электронно-оптический преобразователь - сенсор. Он преобразует падающий на него свет в электрическое напряжение, которое затем измеряется и преобразуется в цифровые данные.

Существует два основных типа сенсоров, различающихся способом считывания информации: сенсоры типа CCD (Charge-Coupled Device, в переводе этот тип сенсоров называется ПЗС - прибор с зарядовой связью) и сенсоры типа CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, в переводе эта технология называется КМОП - комплементарный металл-окисел-полупроводник). Технологии КМОП и ПЗС отличаются своей ценой, процессом производства и дальнейшими перспективами развития. В ПЗС- и КМОП-матрицах для преобразования света в электрический сигнал изображения используются фотодиоды. Однако их принцип работы существенно различается, что описано ниже. В приборах с зарядовой связью падающий свет, регистрируемый фотодиодом каждого пикселя, преобразуется в электрический заряд. Заряд пикселя перемещается в вертикальную «транспортную шину», расположенную сбоку от пикселя. Прилагаемое напряжение затем перемещает заряды по вертикальным и горизонтальным транспортным шинам, пока они не достигнут усилителя, в котором заряды преобразуются в электрический сигнал (рис. 1). В такой конструкции существует проблема,

называемая «тянущиеся продолжения». Они возникают, когда очень яркий падающий свет за счет утечки попадает на вертикальную транспортную шину и создает избыточный заряд, который проявляется на изображении как яркая вертикальная полоса. Подобная структура также требует высоких напряжений для попеременного открывания и закрывания затворов, которые должны иметься в составе всех пикселей для управления временной последовательностью потока зарядов. Мощность, потребляемая ПЗС-матрицами, особенно велика для формата высокой четкости, когда требуется быстрое считывание большого числа пикселей.

Рис. 1. Структура ПЗС-матрицы

В КМОП-датчиках усилитель, имеющийся у каждого пикселя, сразу преобразует заряд пикселя в электрический сигнал, который затем продвигается на выход (рис. 2).

Рис. 2. Структура КМОП-матрицы

Проблема с тянущимися продолжениями здесь отсутствует, так как падающий свет не оказывает воздействия на электрический сигнал (рис. 3). Вместо затворов в КМОП-матрице используются переключатели и внутренние цепи, управляющие последовательностью выходных сигналов. Использование внутренних переключателей позволяет существенно снизить потребляемую мощность при ускорении процесса одновременного считывания большого числа пикселей. Эффективность считывания оказывается вполне достаточной для поддержки прогрессивного разложения HD-изображений. В одночиповых КМОП-датчиках становится принципиально возможным одновременное считывание сигналов R, G и В. Поскольку КМОП-датчики отличаются низким энергопотреблением и высокой скоростью процесса считывания, они вполне подходят для использования в камерах высокой четкости в век ТВЧ. Они особенно интересны для малогабаритных HD-камер, поскольку полностью удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям - компактность, малая потребляемая мощность и высокое качество изображения.

а б

Рис. 3. Тянущиеся продолжения: а) в ПЗС-матрицах на очень ярких областях изображения возникают вертикальные тянущиеся продолжения; б) в КМОП-матрицах эффект вертикальных тянущихся продолжений отсутствует

Различие характеристик КМОП и ПЗС:

1. ПЗС имеют лучший коэффициент заполнения (fill-factor) чем КМОП, то есть, лучше используют размер ячейки, что увеличивает квантовую эффективность, чувствительность и уменьшает относительный уровень шумов (что является основными качественными параметрами ячейки). Это связано с тем, что КМОП-матрица оперирует не накопленными зарядами, а напряжениями. В каждой ячейке КМОП-матрицы должны быть размещены конвертор заряда в напряжение и схема выборки пиксела. Чем меньше размер ячейки, тем сильнее выигрыш у ПЗС-техно-логии, для больших ячеек потери на дополнительные схемы в ячейке не столь велики (например, при размерах 8-9 мкм), поэтому подавляю-

щее большинство компактных камер с размером ячейки 2,5-3,5 мкм изготавливаются на базе ПЗС-матриц.

2. КМОП-технология - более новая, и используется в подавляющем большинстве чипов (процессоры, память и т. п.), ПЗС основаны на более старой и сложной n-MOP-технологии, развитие которой далеко не так стремительно, как у КМОП. Поэтому стоимость КМОП-матриц значительно ниже, чем ПЗС, кроме того, на КМОП-матрице можно реализовать различные дополнительные схемы, вплоть до камеры на одном чипе (и аппаратное шумоподавление, как у матриц Canon).

3. КМОП и ПЗС имеют несколько разные спектральные чувствительности, в первом приближении ПЗС ближе к спектральной чувствительности глаза.

4. КМОП позволяет произвольную выборку пикселов, тогда как ПЗС считывается только последовательно (иногда для увеличения быстродействия может быть организовано несколько параллельных каналов считывания ПЗС).

Таблица 1

Сравнение производительности датчиков изображения

ПЗС Нет микролинз VGA 1/3'' 640 х 480 Pix размер: 7,4 х 7,4 pm МОП Нет микролинз VGA 1/3'' 640 х 480 Pix размер: 7,4 х 7,4 pm

Размер чипа (мм) 5,6 х 7,6 6,1 х 5,4

Коэффициент заполнения (%) 74 27

Квантовая эффективность (%) 52 19

Чувствительность (мВ/люкс) 41 22

Уровень шума (мВ) 0.2 1

Динамический диапазон (дБ) 64 60

Темный сигнала при 50° С (мВ) 0,67 10

Датчик питания (В) 10, 8, 2, -10 3,3

Sensor power consumption (mW) 60 110

Общая мощность системы (мВт) 800 270

Архитектура КМОП позволяет производить обработку изображений и аналого-цифровые преобразования непосредственно на

чипе, цифровые камеры и другие устройства, использующие КМОП-тех-нологию вместо ПЗС, в итоге оказываются значительно дешевле. Дополнительным фактором, ограничивающим сферу применения ПЗС с кадровым переносом, является значительная площадь матрицы, обусловленная наличием секции памяти. Поскольку стоимость микросхем пропорциональна четвертой степени диагонали кристалла, то цена этих ПЗС достаточно высока. КМОП-сенсоры требуют меньше энергии, чем ПЗС, поэтому они более эффективны и не так дороги в эксплуатации. Кроме того, КМОП-сенсоры отличаются еще и меньшим физическим размером.

ПЗС-матрицы имеют тот недостаток, что они требуют наличия сравнительно широких каналов передачи зарядов, которые должны располагаться в непосредственной близости от пикселей. Это, в свою очередь, требует, чтобы пиксели располагались в виде прямоугольной решетки. В отличие от них, КМОП-матрицы используют более тонкие сигнальные шины, расположение которых на чипе можно выбирать более гибко, что позволяет создавать альтернативные структуры пикселей. Сенсоры типа КМОП встречаются в высококлассных камерах, они мельче в размерах и быстрее в работе.

Библиографический список

1. Интернет-источник: http://www.dalsa.com/markets/ ccd_vs_cmos.asp

2. Интернет-источник: «Digital Photography Review: All the latest digital camera reviews and digital imaging news. Lively discussion forums» («Все о цифровой фотографии» - http://www.dpreview.com/

3. Интернет-источник: http://howstuffworks.lycoszone.com/ digital-camera3.htm

4. Интернет-источник: http://www.kodak.com/country/US/ en/corp/researchDevelop-ment/technologyFeatures/cmos.html

5. Различные страницы из интернет-источника «Википедия -свободная энциклопедия»: http://ru.wikipedia.org/wiki/...

6. Различные страницы из интернет-источника «Мир словарей»: http://mirslovarei.com.

7. Статья «CCD vs CMOS image sensor» («Сравнение ПЗС и КМОП электронно-оптических преобразователей») - Sony, Semiconductor.

8. Статья «Технология матриц ClearVid» - Sony.