Matrices fotosensibles CMOS en cámaras CCTV.

Actualmente, el mercado ofrece una gama bastante amplia de cámaras para sistemas de videovigilancia con elementos fotosensibles fabricados a base de matrices CMOS. Sin embargo, debe recordarse que cualquier elemento fotosensible (fotorresistores, fotodiodos, fototransistores), así como los microcircuitos fabricados sobre la base de estructuras CCD y MOS, no solo tienen sus propias características tecnológicas, sino también parámetros bastante diferentes. Por lo tanto, el hecho de que el elemento fotosensible de la cámara esté fabricado sobre la base de una matriz CMOS, de hecho, aún no contiene la información necesaria para el usuario sobre sus características técnicas.

Comencemos con una descripción del chip CMOS. Encontraron un uso más o menos significativo en los años 80 del siglo pasado. Al mismo tiempo, comenzó su producción en masa y su mejora activa. Los chips CMOS son chips avanzados basados ​​en transistores MOS (semiconductores de óxido metálico). Los microcircuitos complementarios se crean sobre la base de células CMOS, es decir, dos transistores MOS complementarios, todos los cuales funcionan en modo de enriquecimiento.

Una célula CMOS complementaria consta de dos partes, una de las cuales está construida sobre n -estructura MOS, y el otro en una estructura p-MOS. Estas estructuras son complementarias. La celda funciona de tal manera que cuando un transistor está abierto, el otro está cerrado.

En la Fig. 1 se muestra un diagrama eléctrico elemental del funcionamiento de esta celda. Un transistor p-MOS está conectado entre el polo positivo de la fuente de alimentación Ec y la salida del circuito, y un transistor n-MOS está conectado entre la salida del circuito y el polo negativo de la fuente de alimentación Eu. La entrada X está conectada a las puertas de los transistores n-MOS y p-MOS. Cuando se aplica un alto voltaje a la entrada X, el transistor p-MOS se apaga y el transistor n-MOS se abre. Cuando se aplica un voltaje bajo a la entrada X, el transistor p-MOS se abre y el transistor n-MOS se apaga.

Todas las ventajas en las características eléctricas de estos circuitos se derivan de las características de diseño del circuito descritas. Como uno de los transistores siempre está apagado, no hay corriente de Ec a Eu. Por lo tanto, si la señal de entrada no cambia, el consumo de energía es igual al producto de la fuente de alimentación y la corriente muy pequeña que fluye a través del MOSFET. Esto determina el consumo de energía extremadamente bajo de las cámaras.

Las características de diseño del circuito descritas también determinan propiedades únicas de la celda CMOS como la independencia de los parámetros de las fluctuaciones de la fuente de alimentación, el ruido y las fluctuaciones de temperatura. En la figura se muestra una relación típica entre los voltajes de salida y entrada de una celda CMOS (su característica de transferencia) a varios valores de temperatura y voltaje de fuente. 2. Se ve claramente que las curvas tienen diferencias muy leves en un amplio rango de temperaturas.

Además, cambiar el voltaje de suministro solo cambia la curva sin cambiar significativamente su carácter, los voltajes de entrada y salida cambian proporcionalmente al cambio en el voltaje de suministro y la celda CMOS realiza correctamente operaciones lógicas en una amplia gama de voltajes de suministro. Este rango es mucho más amplio que el de otros tipos de circuitos integrados.

Las propiedades de la característica de transferencia, es decir, su fuerte caída, explican la alta inmunidad al ruido de las estructuras CMOS.

Es decir, de hecho, el microcircuito CMOS proporciona un valor de señal de 1 o 0 en la salida; no hay valores intermedios. Este principio, que se sabe que se utiliza en la transmisión de señales digitales, se ha convertido en uno de los principios fundamentales en el uso de chips CMOS para crear cámaras de video con salida digital. De hecho, en este caso, no se requieren transformaciones adicionales e intermedias de la señal de video recibida como resultado de la conversión de fotografías y la lectura para el procesamiento digital (funciones BLC, etc.) y la provisión de una salida digital.

Las primeras cámaras de red con salida IP tenían una calidad de imagen baja y, en consecuencia, precios bajos. Esto se debió a que como elementos fotosensibles de las matrices CMOS se utilizaron transistores MOS, que se fabricaban en un solo ciclo tecnológico con transistores de circuitos de procesamiento digital. Los MOSFET se caracterizan por una baja sensibilidad a la luz. Al mismo tiempo, la organización del circuito de la matriz en su conjunto y el número de sus elementos sensibles eran bajos (la resolución de estas cámaras era de 320×240 píxeles). Las principales empresas que suministraron cámaras de esta clase, llamadas cámaras web, a Rusia fueron Agilent Technologies (EE. UU.), Mitsubishi Electric (Japón), OmniVision Technologies, Photon Vision Systems, STMicroelectronics, Semiconductor Insights, Symagery Microsystems, Toshiba, VLSI Vision.

Para resolver los problemas del sistema de organización de la videovigilancia mediante cámaras de vídeo con salida digital, por supuesto, se necesitaban mejores cámaras. Y, naturalmente, los fabricantes respondieron a la demanda del mercado.

Hoy en día, las cámaras de vídeo basadas en matrices CMOS de alta resolución las suministra, por ejemplo, AXIS, Arecont Vision, Hunt (Taiwán). Se trata, por regla general, de cámaras con una gran cantidad de elementos sensibles, mejores ópticas y capacidades de red avanzadas. Sin embargo, las matrices de dichas cámaras se fabricaron según el principio descrito anteriormente. Por lo tanto, junto con las ventajas de la tecnología CMOS, también tienen desventajas tan importantes como características de bajo ruido y baja sensibilidad. Estas cámaras pertenecen más bien a la clase de las cámaras web; me refiero, en primer lugar, a la tecnología de fabricación de su matriz fotosensible. El elemento fotosensible que contiene, en forma de transistores MOS y microcircuitos de lectura, también se fabrica en un único ciclo tecnológico.

Las cámaras de videovigilancia de alta calidad ocupan un nicho aparte. Las matrices CMOS fotosensibles de alta resolución utilizadas en ellos suelen contener fotodiodos en cada píxel, integrados en el chip CMOS. Casi todos los problemas de sensibilidad, características de ruido, etc. de los fotodiodos se resolvieron en los años 70 y 80 del siglo pasado. Así que aquí no hay problemas de sensibilidad. Pero cabe señalar que dicha integración es una tecnología muy costosa.

En parte por esta razón, hoy en día es un segmento bastante estrecho del mercado de equipos de videovigilancia. Uno de sus líderes indiscutibles es Mobotix AG. Por ejemplo, una de las cámaras de esta empresa, creada específicamente para trabajar en pistas de esquí alpino, tiene una resolución de 1280×960 píxeles y su resolución de 1/2″ La matriz CMOS tiene una sensibilidad suficientemente alta para un funcionamiento exitoso en modo día/noche. Así, como hemos visto, las matrices CMOS son diferentes. Varios dispositivos fotoelectrónicos tienen el mismo nombre, pero la arquitectura constructiva es diferente. En consecuencia, las características de las cámaras de vídeo pueden diferir en órdenes de magnitud.