Что такое КМОП-датчик?

Что такое датчик CMOS?

Датчик CMOS — это датчик изображения, используемый в цифровых камерах и другом фотографическом оборудовании. Свет, полученный отдельными фотодетекторами, преобразуется в электрический заряд, который затем пропускается через схему усилителя, состоящую из CMOS, и извлекается в виде напряжения или тока в зависимости от интенсивности света.

В прошлом датчики CCD использовались в качестве основных датчиков изображения, имея структуру, в которой заряд переносится CCD и преобразуется в напряжение через плавающий диффузионный усилитель (FDA).

Датчики CCD имеют преимущества перед датчиками CMOS с точки зрения чувствительности, отношения сигнал/шум и низкого темнового тока, но у них есть недостатки с точки зрения сложной конфигурации источника питания, неизбежного образования размытия и того факта, что производственный процесс является специальным и общее производственное оборудование CMOS LSI не может быть использовано. В последнее время датчики CMOS стали основой датчиков изображения из-за достижений в методах снижения эффектов темнового тока и улучшения отношения сигнал/шум в датчиках CMOS.

Применение датчиков CMOS

В прошлом датчики CMOS использовались в камерах, устанавливаемых на смартфоны и планшеты, из-за их низкой стоимости производства. С другой стороны, датчики CCD с низким уровнем шума в основном использовались в однообъективных зеркальных камерах и видеокамерах, которые требуют высокого качества изображения.

Однако, по мере развития методов шумоподавления для ПЗС-датчиков, размытость и размытие, которые были проблемой ПЗС-датчиков, не возникали, и ПЗС-датчик постепенно был заменен КМОП-датчиками. КМОП-датчики в настоящее время используются в качестве датчиков изображения во всех типах фотографического оборудования.

Принцип работы КМОП-датчиков

Основная функция датчика изображения — хранить и передавать электрический заряд, генерируемый светоприемными элементами, расположенными в большом количестве на его поверхности, преобразовывать его в напряжение или электрический ток и выводить его. В этом отношении датчики CCD и датчики CMOS выполняют одну и ту же функцию.

Основное различие между ними заключается в механизме передачи заряда: датчики CCD имеют сетку фотодиодов в качестве светоприемных элементов, и заряд может временно храниться в области N-типа этих фотодиодов.

Вертикальный ПЗС размещается рядом с этими фотодиодами, и все заряды, накопленные каждым фотодиодом в данный момент времени, одновременно переносятся на вертикальный ПЗС. Заряды последовательно переносятся и доставляются на горизонтальный ПЗС.

Горизонтальный ПЗС переносит заряд, переданный с вертикального ПЗС, на ПДА, который выдает напряжение, соответствующее количеству заряда, тем самым обеспечивая выходное напряжение, соответствующее интенсивности света, облучающего фотодиоды. Как описано выше, в датчике ПЗС количество заряда со всех фотодиодов выводится последовательно.

С другой стороны, датчики CMOS имеют фотодиод, усилитель, который усиливает выходной сигнал фотодиода, и коммутационный элемент, который соединяет выход усилителя с сигнальной линией, так что прием света, преобразование, усиление и вывод выполняются для каждого фотодиода.

Из этой конфигурации датчики CMOS могут определять отдельные фотодиоды, комбинируя сигналы горизонтальной и вертикальной развертки, и могут извлекать напряжение или ток в соответствии с величиной заряда. Таким образом, можно выбрать любой фотодиод и считать его сигнал.

Благодаря этим структурным различиям КМОП-датчики обладают преимуществом высокоскоростного считывания за счет ограничения сигнала необходимой областью и устранения шума передачи ПЗС. Кроме того, в то время как ПЗС-датчики неизбежно страдают от размытия, вызванного шумовыми компонентами, поступающими в ПЗС, в случае КМОП-датчиков это не так.

Структура КМОП-датчиков

Датчики CMOS объединяют фотодиод, который является элементом приема света, с усилителем и переключающими элементами, и интегрируют многие из этих элементов. Процесс производства фотодиодов является особым и отличается от процесса производства транзисторов, но другие компоненты идентичны компонентам CMOS LSI, поэтому использование оборудования для производства CMOS имеет преимущество перед CCD.

Также появляются новые разработки в отношении размещения фотодиодов. В этой структуре фотодиоды размещаются на задней стороне ПЗС, тогда как схемы, такие как усилители и переключающие элементы, формируются на передней стороне. Фотодиод подключается к схеме с помощью внутренней проводки. Хотя процесс производства более сложен, фотодиоды можно размещать без зазоров между ними, что повышает эффективность сбора света.

Схема в КМОП-датчиках работает с одним источником питания, поэтому в основном требуется только один источник питания около 3,3 В. КМОП-датчики имеют преимущество с точки зрения энергопотребления.

Другая информация о КМОП-датчиках

1. Доля рынка КМОП-датчиков

Sony занимала доминирующую долю рынка, когда датчики CCD были на пике популярности, но теперь, когда датчики CMOS стали основой и их основное применение переместилось на смартфоны, доля рынка Sony постепенно снижается. Согласно исследованию, в 2021 году доля рынка Sony в стоимостном выражении составит 45%, Samsung — 26%, а OmniVision — 11%.

2. Размер датчиков CMOS

Датчики изображения CMOS доступны в различных размерах: от больших до маленьких. Если взять в качестве примера датчики изображения CMOS компании Canon, то существует шесть различных размеров датчиков изображения.

• 35-миллиметровый полный размер (прибл. 36 x 24 мм)
• Размер APS-H (прибл. 29 x 19 мм)
• Размер APS-C (прибл. 22 x 15 мм)

Однако они не продаются широкой публике и ограничены использованием в их камерах.

• 1 дюйм
• 2/3 дюйма
• 1/1,8 дюйма

Как правило, при одинаковом количестве пикселей, чем больше размер датчика, тем лучше качество изображения. Кроме того, чем шире апертура, тем выше чувствительность.