КМОП-фоточувствительные матрицы в камерах видеонаблюдения.

В настоящее время на рынке представлен достаточно широкий ассортимент камер для систем видеонаблюдения с фоточувствительными элементами, изготовленными на основе КМОП-матриц. Следует, однако, помнить, что любые фоточувствительные элементы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы), а также микросхемы, изготовленные, как на основе ПЗС, так и МОП-структур, имеют не только свои технологические особенности, но и достаточно значительно различающиеся параметры. Поэтому тот факт, что фоточувствительный элемент камеры изготовлен на основе КМОП-матрицы, на самом деле, еще не несет в себе необходимой пользователю информации о ее технических характеристиках.

Начнём с описания КМОП-микросхемы. Они нашли более-менее значительное применение в 80-х годах прошлого века. Тогда же началось их серийное производство и активное совершенствование. КМОП-микросхемы – это усовершенствованные микросхемы на основе МОП (металл-окисел-полупровдник) транзисторов. Комплементарные микросхемы созданы на основе КМОП-ячеек, то есть, двух взаимодополняющих МОП-транзисторов, причём все они работают в режиме обогащения.

Комплементарная КМОП-ячейка состоит из двух частей, одна из которых построена на n-МОП структуре, а другая – на p-МОП структуре. Эти структуры являются взаимодополняющими. Ячейка работает таким образом, что когда один транзистор открыт, то другой закрыт.

Элементарная электрическая схема работы этой ячейки приведена на рис.1. Транзистор p-МОП включён между положительным полюсом источника питания Ec и выходом схемы, а n-МОП между выходом схемы и отрицательным полюсом источником питания Eu. Вход X соединён с затворами n-МОП и p-МОП транзисторов. При подаче на вход X высокого напряжения p-МОП транзистор запирается, а n-МОП транзистор открывается. При подаче на вход X низкого напряжения p-МОП транзистор открывается, а n-МОП транзистор закрывается.

Все преимущества в электрических характеристиках этих схем следуют из описанных схемотехнических особенностей. Поскольку один из транзисторов всегда находится в закрытом состоянии, ток от Ec к Eu отсутствует. Следовательно, если входной сигнал не меняется, потребляемая мощность равна произведению источника питания и очень малого тока, протекающего через МОП-транзистор. Это определяет чрезвычайно низкую потребляемую мощность камер.

Описанные схемотехнические особенности также обусловливают такие уникальные свойства КМОП-ячейки, как независимость параметров от флуктуаций источника питания, шумов и колебаний температуры. Типичная зависимость между выходным и входным напряжениями КМОП-ячейки (её передаточная характеристика) при различных значениях температуры и напряжения источника приведена на рис. 2. Хорошо видно, что кривые имеют очень незначительные различия в широком диапазоне температур.

Помимо этого, изменение напряжения питания приводит лишь к сдвигу кривой без значительного изменения её характера, входное и выходное напряжение меняются пропорционально изменению напряжения питания, и КМОП-ячейка правильно выполняет логические операции в широком диапазоне напряжений питания. Этот диапазон значительно шире, чем у других типов интегральных схем.

Свойствами передаточной характеристики, а именно её крутым перепадом объясняется высокая помехоустойчивость КМОП-структур.

То есть, фактически КМОП-микросхема обеспечивает на выходе значение сигнала 1 или 0, – промежуточных значений нет. Этот принцип, который, как известно, используется при цифровой передаче сигнала, стал одним из основных в использовании КМОП-микросхем для создания видеокамер с цифровым выходом. Ведь в этом случае не требуются дополнительные и промежуточные преобразования полученного видеосигнала в результате фотопреобразований и считывания для цифровой обработки (функции BLC и пр.) и обеспечения цифрового выхода.

Первые сетевые камеры с IP-выходом имели невысокое качество изображения и, соответственно, невысокие цены. Это было обусловлено тем, что в качестве фоточувствительных элементов КМОП-матриц применялись МОП-транзисторы, которые изготавливались в едином технологическом цикле с транзисторами цифровых обрабатывающих схем. МОП-транзисторы характеризуются невысокой чувствительностью к свету. При этом схемная организация матрицы в целом и количество её чувствительных элементов были невысокими (разрешающая способность этих камер составляла 320х240 пикселей). Основные фирмы, поставлявшие в Россию камеры такого класса, называемые web-камерами, это Agilent Technologies (США), Mitsubishi Electric (Япония), OmniVision Technologies, Photon Vision Systems, STMicroelectronics, Semiconductor Insights, Symagery Microsystems, Toshiba, VLSI Vision.

Для решения системных задач по организации видеонаблюдения с использованием видеокамер с цифровым выходом, разумеется, требовались более качественные камеры. И, естественно, производители откликнулись на спрос рынка.

Сегодня видеокамеры на основе КМОП-матриц высокого разрешения поставляют, например, фирмы AXIS, Arecont Vision, Hunt (Тайвань). Это, как правило, камеры с большим числом чувствительных элементов, лучшей оптикой и расширенными сетевыми возможностями. Однако матрицы таких камер изготовлялись по ранее описанному принципу. Поэтому наряду с преимуществами КМОП-технологии в них присутствуют и такие существенные недостатки, как низкие шумовые характеристики, невысокая чувствительность. Эти камеры скорее относятся к классу web-камер, – я имею в виду, прежде всего, технологию изготовления их фоточувствительной матрицы. Фоточувствительный элемент в ней в виде МОП-транзисторов и считывающие микросхемы также изготавливаются в едином технологическом цикле.

Отдельную нишу занимают высококачественные камеры видеонаблюдения. Применяемые в них фоточувствительные КМОП-матрицы с высокой разрешающей способностью обычно в каждом пикселе содержат фотодиоды, интегрированные с КМОП-микросхемой. Практически все проблемы с чувствительностью, шумовыми характеристиками и пр. для фотодиодов решены еще в 70 – 80-х годах прошлого века. Так, что с чувствительностью здесь никаких проблем не возникает. Но, необходимо отметить, подобная интеграция – весьма дорогостоящая технология.

Отчасти по данной причине на сегодняшний день это – достаточно узкий сегмент рынка технических средств видеонаблюдения. Один из его безусловных лидеров компания Mobotix AG. Например, одна из камер этой фирмы, созданная специально для работы на альпийских горнолыжных склонах, имеет разрешающую способность 1280х960 пк, а ее 1/2″ КМОП-матрица обладает достаточно высокой чувствительностью для успешной работы в режиме день/ночь. Таким образом, как мы убедились, КМОП-матрицы бывают разными. Название у различных фотоэлектронных устройств одно, а архитектура построения разная. Соответственно, и характеристики видеокамер могут отличаться на порядки.