Image Sensors 4 of 6 - CCD and CMOS Overview 2
Summary
TLDREn este video, el presentador explora la arquitectura de CMOS, contrastándola con la de CCDs. Expone cómo en la CMOS cada píxel cuenta con su propio capacitor y amplificador, lo que permite una integración de carga y conversión a voltaje en el píxel mismo. Esta arquitectura es más rápida y de bajo consumo, ya que permite la lectura paralela de píxeles y es fácil de fabricar debido a su similitud con procesos de memoria SRAM y DRAM. Sin embargo, presenta el inconveniente de un alto ruido debido a la presencia de múltiples amplificadores. El video también menciona la tendencia emergente de incluir ADCs en cada píxel y la aplicación de esta tecnología en sensores de imágenes de infrarrojos.
Takeaways
- 📷 La arquitectura CMOS es una alternativa a la CCD, donde cada píxel tiene su propio condensador y amplificador integrado en lugar de un registro de desplazamiento serial.
- 🔌 El proceso de integración de carga en un condensador dentro del píxel es una característica distintiva de la arquitectura CMOS, lo que permite una mayor eficiencia en el manejo de señales.
- 🔌 Amplificadores en cada píxel en la arquitectura CMOS permiten una lectura de voltaje más directa y rápida en comparación con la arquitectura CCD.
- 🔢 Los valores de voltaje se convierten a señales digitales a través de un ADC (convertidor analógico a digital) por columna, lo que puede ser más rápido que la secuenciación de salida en CCDs.
- 🔋 Los sensores de imagen CMOS tienen una baja demanda de energía, ya que la integración de carga y la amplificación en cada píxel son más eficientes que el transporte de carga en CCDs.
- 🚀 Los sensores CMOS son rápidos debido a su capacidad para leer simultáneamente múltiples píxeles, aprovechando su naturaleza paralela.
- 🛠️ La fabricación de sensores CMOS es más sencilla que la de CCDs, ya que comparte procesos similares con la memoria SRAM o DRAM y otros chips integrados.
- 🔝 Una de las virtudes de los sensores CMOS es su capacidad para ser fácilmente fabricados, lo que reduce los costos y mejora la accesibilidad.
- 👎 Un inconveniente principal de los sensores CMOS es el alto nivel de ruido, que proviene de tener múltiples amplificadores en cada píxel.
- 🔭 Los sensores de infrarrojos (IR) utilizan una arquitectura de lectura CMOS, donde los fotodiodos se fabrican en materiales como HgCdTe o InGaAs y luego se unen a un circuito de lectura de silicona CMOS.
- 🔮 Una tendencia emergente en la tecnología de sensores CMOS es la integración de ADCs en cada píxel, lo que podría simplificar aún más el proceso de lectura de imágenes.
Q & A
¿Qué significa CMOS y cómo se relaciona con CCD en la arquitectura de cámaras?
-CMOS significa Circuito Integrado de Complemento a Metal y es una alternativa a la tecnología CCD (Circuito Integrado de Dispositivo de Captura de Imágenes por Carga). La arquitectura CMOS utiliza un capacitor en cada píxel para integrar carga y un amplificador para enviar la señal a un conversor analógico a digital (ADC), mientras que la CCD utiliza un registro de desplazamiento serial para mover la carga hacia un amplificador común.
¿Cuál es la principal ventaja de la arquitectura CMOS en comparación con la CCD?
-Una de las principales ventajas de la arquitectura CMOS es su bajo consumo de energía, ya que los amplificadores en los píxeles consumen menos energía que mover la carga a través de líneas de reloj en una CCD.
¿Por qué son los CMOS imagers rápidos?
-Los CMOS imagers son rápidos porque su diseño es paralelo, lo que permite la lectura simultánea de múltiples píxeles a través de ADCs por columna, a diferencia de la CCD que requiere de un proceso de desplazamiento secuencial.
¿Qué es un 'source follower' y cómo se relaciona con la arquitectura CMOS?
-Un 'source follower' es un tipo de amplificador utilizado en la arquitectura CMOS, donde el voltaje de salida sigue el voltaje de entrada, usualmente implementado con un transistor conectado en paralelo a un diodo.
¿Cuál es una de las desventajas mencionadas del diseño de sensor CMOS?
-Una de las desventajas del diseño de sensor CMOS es el alto ruido, que proviene de tener múltiples amplificadores en cada píxel, lo que puede dificultar la caracterización y aumentar el ruido en comparación con una CCD.
¿Cómo se relaciona la fabricación de sensores CMOS con otros procesos de fabricación de circuitos integrados?
-La fabricación de sensores CMOS es similar a la de memorias SRAM o DRAM y otros circuitos integrados, lo que significa que no es necesario ajustar significativamente el proceso de fabricación para producir sensores CMOS.
¿Qué es un ADC y cómo se utiliza en la arquitectura CMOS?
-Un ADC, o conversor analógico a digital, es un dispositivo que convierte una señal analógica en una señal digital. En la arquitectura CMOS, cada columna tiene un ADC que convierte la señal de voltaje de los píxeles en una señal digital que luego se puede leer por una computadora.
¿Por qué podría ser la integración de ADC en cada píxel una tendencia futura en la tecnología CMOS?
-La integración de ADC en cada píxel podría ser una tendencia futura porque permitiría una lectura más directa y eficiente de los valores digitales de cada píxel, eliminando la necesidad de un amplificador adicional y mejorando el rendimiento del sensor.
¿Cómo se relaciona la arquitectura de sensores CMOS con los sensores de infrarrojos (IR)?
-Los sensores de infrarrojos (IR) utilizan una arquitectura de lectura CMOS, donde los fotodiodos se fabrican en materiales como el telurio de cadmio y mercurio (HgCdTe) o el arseniuro de indio y galio, y luego se unen a una lectura de salida en silicio con una arquitectura CMOS.
¿Cuál es la resolución típica de los ADCs utilizados en aplicaciones de consumidores para sensores CMOS?
-Los ADCs utilizados en aplicaciones de consumidores para sensores CMOS suelen tener una resolución de 8 bits, lo que significa que codifican valores desde 0 hasta 255.
Outlines
📷 Arquitectura CMOS para sensores de imagen
En este primer párrafo se discute la transición de la arquitectura CCD a la CMOS en sensores de imagen. El CCD implica un transporte serial de carga, mientras que la CMOS permite integrar la carga en una capacitancia dentro de cada píxel y luego enviarla a un amplificador. Cada píxel tiene su propio capacitor, denominado capacitor de integración, y su propio amplificador, generalmente un seguidor de fuente. La lectura de la imagen se realiza a través de un bus de columna, convirtiéndose en un voltaje que se envía a un convertidor analógico a digital (ADC). La ventaja de esta arquitectura es que permite una mayor integración y se puede incluir el ADC en cada píxel, lo que podría ser una tendencia futura en la tecnología de CMOS.
🔋 Ventajas y desventajas de los sensores CMOS
El segundo párrafo explora las ventajas y desventajas de los sensores de imagen CMOS. Entre las ventajas destacan el bajo consumo de energía, debido a que es más eficiente integrar la carga en los píxeles que moverla a través de líneas de reloj en CCDs, lo que resulta en una menor demanda de energía. Otra ventaja es la rapidez de los CMOS, ya que permiten la lectura paralela de los píxeles, lo que significa que se pueden obtener múltiples datos de imagen simultáneamente, a diferencia de los CCDs que requieren una secuencia de lectura. Además, la facilidad de fabricación de los sensores CMOS es una ventaja, ya que su proceso es similar al de la memoria SRAM o DRAM, lo que significa que no es necesario ajustar significativamente el proceso de producción. Sin embargo, la principal desventaja es el alto nivel de ruido, que proviene de tener múltiples amplificadores en cada píxel, lo que complica el control de la calidad de la imagen. El párrafo también menciona que todos los sensores de imágenes en infrarrojo utilizan una arquitectura de lectura CMOS, donde se unen materiales como el telurio de cadmio y mercurio (HgCdTe) o el arseniuro de indio y galio a un circuito de lectura en silicio CMOS.
Mindmap
Keywords
💡CMOS
💡CCD
💡Píxeles
💡Condensador de integración
💡Amplificador
💡Fuente de seguimiento
💡ADC
💡Bajo consumo de energía
💡Alto rendimiento
💡Fácil de fabricar
💡Ruido alto
Highlights
Transition from CCDs to CMOS architecture in image sensors.
Illustration of a silicon array divided into pixels for CMOS architecture.
Integration of charge on a capacitance within the pixel instead of using a serial shift register.
Each pixel in CMOS has its own capacitor and amplifier.
Description of a source follower as part of the amplifier in CMOS pixels.
Voltage transfer function in CMOS pixels explained by Q = C * V.
Reading voltage directly down the column out on a bus in CMOS, unlike CCD.
ADC (Analog to Digital Converter) used to convert analog voltage to digital signal in CMOS.
Potential design with multiplexer sending multiple columns to a single ADC.
CMOS imagers are generally faster than CCDs due to parallel processing.
CMOS fabrication is similar to SRAM or DRAM memory processes, making it easier to produce.
CMOS imagers have low power consumption compared to CCDs.
High noise levels in CMOS imagers due to multiple amplifiers per pixel.
Trend towards putting ADC in each pixel for future CMOS imaging technology.
Infrared imagers use CMOS style architecture for readout.
Mating of photodiode materials like HgCdTe or InGaAs to silicon readout for IR imagers.
CMOS architecture's one-to-one application to infrared imaging.
Transcripts
all right in this video I'm going to
continue on and go from CCDs to CMOS
architecture I just finished discussing
the CCD architecture and I'm going to
discuss CMOS CMOS architecture
architecture okay let me draw the same
array the same silicon array I'm going
to try to draw it a little bigger
because there's a new one so I want to
show so horribl square I wish I had a
square drawing tool but I don't with
this program okay
then I'm dividing up into pixels this
way
another third so still we have this way
is the row and the this this is a column
this is a column that's the nomenclature
you'll use okay let's draw the same
photon that I drew for the CCD coming in
and create an electron hole pair and
that pixel okay what I'm going to do is
instead of shuttling that charge all the
way down and out through a serial shift
register I'm going to integrate that
charge on a capacitance right there in
the pixel there's that's that's there's
a capacitance there right there in the
pixel and I'm going to send that to an
amplifier so there's the amplifier it's
not a diode that's not I'm not trying to
draw a diode there there's the amplifier
each pixel has that each pixel has a
capacitor and an amplifier it's actually
more complicated than that but that's
the basic picture each pixel has its own
capacitor where it integrates this is
the integration capacitor if creation
capacitor and it has its own amplifier
actually those amplifiers are usually
source followers so there's
doesn't have to be but over here let me
draw the depiction of a source follower
so if source follower is you come in to
oops
there's the N Moss there VDD and you
have some resistor here so you have V N
and here you have V out actually this
resistor is usually a diode connected
transistor but anyway basically that's
the idea so let's go back to this pixel
that electron comes in on that and
integrates on that capacitor and by Q
equals C V we know what the voltage is
going to be here and the we know the
transfer function so we know the voltage
right there and instead and this is
where it's unfortunately this is not a
3d drawing because there are metal lines
running that you can't see here but
instead of shuttling charge down we're
just going to read that voltage straight
down the column out on a bus okay let me
scroll down a little bit that voltage is
going to come out and it's going to come
to an ADC and I like the digital
converter let's say in our case we have
one ADC for column ADC ADC and we send
that voltage that analog voltage right
into the ADC let's say that we we sent
in a signal saying we want all of the
values for this for this row here okay
so each one of those ADCs is going to
get the voltage coming out and it's
going to convert it to a digital voltage
a digital signal and that'll get read to
the computer look at my notes here in
many designs you'll have a multiplexer
here that will send multiple columns to
a single ADC but this isn't a bad
approximation where I'm having one ADC
per channel
I'm sorry 180c per column these ADCs for
consumer applications are usually 8-bit
ADCs who they encode from 0 to 250 255
but the the bits can be much higher in
many other applications they're much
higher than that for space applications
and actually let me make a point that
the major difference between this design
the CMOS design of the CCD is that
instead of having one output one
amplifier all the way at the end we're
putting the amplifier in each pixel and
that's nice some people are now in fact
even putting the ADC in each pixel so
you would have the amp the the capacitor
to an amplifier going to the ADC and
then you would just read a digital value
out of each pixel and that may be one of
the next big trends in CMOS imaging but
it's not there quite yet
ok what are the virtues and vices of
CMOS detectors so CMOS detectors CMOS
image imagers CMOS image sensor CIS CMOS
image sensor virtues this is just pretty
much the converse of what they were for
the CCD imager but I'm going to write
them out anyway
one is their low power that is probably
for me at first it wasn't obvious but it
is true when you look at how much power
these amplifiers and the pixels draw
versus how much power it takes to slosh
charge all the way out of the device
using clock lines in the CCD case the
CMOS imagers are in deep lower power
another virtue is that they're fast
they're very fast and this is because
they're parallel and what do I mean by
parallel well let me scroll back up I
mean that you can read let me get a
different color you can read out this
pixel simultaneously by reading out this
pixel and at the same time you're
reading at this pixel and all of that
happens at the same time you're reading
out this pixel because you have an ADC
per column whereas for C C CDs you had
to shuttle everything out and everything
everybody had to wait their turn it's
kind of a bucket brigade phenomenon ok
CMOS imagers are fast
first one another reason another virtue
is that they're easy I'm putting that in
quotes easy to fabricate now not I don't
mean breaking I don't mean that the the
the the material science or anything
like that is easy at what I'm what I
mean by easy is that the style of
fabrication for the CMOS image sensor is
very similar to SRAM memory or DRAM
memory or the same processes that you
use for microchips a variety of various
kinds so you don't have to fine tune
your process you don't have to change it
much to manufacture a CMOS imager which
is very nice what are the vices well the
main vice is that it's high noise high
noise and that comes from the fact that
every pixel has its own amplifier lots
of amplifiers well that's my
interpretation of why they're high noise
and so in the CCD case where you only
had one amplifier or a few amplifiers to
worry about characterizing in the CMOS
imager case you have a lot of amplifiers
to worry about let me make a quick note
even though it's not the focus I want to
make a quick note about ir imagers ir
imagers infrared imagers all use a CMOS
style architecture for the readout and
what you'll do is you'll manufacture
your photodiode in materials like
mercury cadmium telluride hg c d t or
indium gallium arsenide and then you'll
mate those photodiode materials to a
silicon readout that has a CMOS style
architecture so if you go back up here
and look at this architecture where
every pixel has its own amplifier and
then you read that out on the column
this is this carries over one-to-one to
infrared imagers there's a final point
about architecture that I want to get to
but I don't think I have time in this
video so I'm going to start a new video
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