Image Sensors 4 of 6 - CCD and CMOS Overview 2

Summary

En 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

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📷 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.

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🔋 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.

Keywords

💡CMOS

CMOS (Complemento a Metal-Oxido-Semiconductor) es una tecnología utilizada en la fabricación de circuitos integrados y sensores de imagen. En el video, se discute cómo la arquitectura CMOS se utiliza para el diseño de sensores de imagen, en contraste con la arquitectura CCD. CMOS es conocido por su bajo consumo de energía, alta velocidad y facilidad de fabricación, lo que lo hace atractivo para aplicaciones de cámaras digitales y sensores de imagen.

💡CCD

CCD (Carga Coherente en Distribución) es otra tecnología de sensor de imagen que se menciona en el video. La arquitectura CCD implica el uso de un registro de desplazamiento serial para mover la carga de electrones hacia un amplificador, a diferencia de la arquitectura CMOS que tiene amplificadores en cada píxel. El CCD es conocido por su alta calidad de imagen, pero a menudo consume más energía que los sensores CMOS.

💡Píxeles

Los píxeles son los puntos individuales de un sensor de imagen que capturan la luz para formar una imagen. En el video, se describe cómo en una arquitectura CMOS, cada píxel tiene su propio condensador y amplificador integrados, lo que permite una lectura más rápida y paralela de los datos de imagen.

💡Condensador de integración

El condensador de integración es un componente en la arquitectura CMOS que se utiliza para acumular la carga eléctrica generada por la luz incidiente. En el video, se menciona que en lugar de mover la carga a través de un registro de desplazamiento, la carga se integra en un condensador dentro del píxel, lo que es fundamental para la generación de señal de imagen.

💡Amplificador

En el contexto del video, el amplificador es un componente que se encuentra en cada píxel de la arquitectura CMOS y se utiliza para aumentar la señal de voltaje generada por el condensador de integración. Esto es crucial para la sensibilidad y la calidad de la imagen, ya que permite que la señal sea leída y procesada a pesar de las pequeñas variaciones en la carga de electrones.

💡Fuente de seguimiento

Una fuente de seguimiento, o 'source follower' en inglés, es un tipo de circuito de amplificador utilizado comúnmente en la arquitectura CMOS de sensores de imagen. Se menciona en el video que los amplificadores en los píxeles suelen ser fuente de seguimiento, lo que significa que siguen el voltaje de entrada y proporcionan una salida con una pequeña caída de voltaje.

💡ADC

ADC (Conversor Analógico a Digital) es un dispositivo que convierte señales analógicas, como la señal de voltaje del amplificador en un píxel, en señales digitales. En el video, se describe cómo en una arquitectura CMOS, cada columna tiene un ADC que convierte la señal de voltaje en una señal digital que luego puede ser procesada por una computadora.

💡Bajo consumo de energía

El bajo consumo de energía es una de las ventajas principales de los sensores de imagen CMOS mencionadas en el video. Esto se debe a que los amplificadores en los píxeles y otros componentes de la arquitectura CMOS consumen menos energía en comparación con el proceso de mover carga en los sensores CCD, lo que resulta en una mayor eficiencia energética.

💡Alto rendimiento

El alto rendimiento de los sensores de imagen CMOS se debe a su capacidad para leer datos de manera paralela, lo que significa que se pueden obtener múltiples píxeles al mismo tiempo. Esto se contrasta con la arquitectura CCD, donde los datos se mueven secuencialmente a través de un registro de desplazamiento, lo que puede limitar la velocidad de adquisición de datos.

💡Fácil de fabricar

La facilidad de fabricación es otra ventaja de los sensores de imagen CMOS, como se menciona en el video. Esto se debe a que los procesos de fabricación para CMOS son similares a los utilizados para la memoria SRAM o DRAM y otros circuitos integrados, lo que significa que no es necesario ajustar significativamente los procesos para producir sensores de imagen CMOS.

💡Ruido alto

El ruido alto es una de las desventajas de los sensores de imagen CMOS que se discute en el video. El ruido se refiere a la variabilidad no deseada en la señal de imagen, que puede ser causada por múltiples factores, incluidos los amplificadores en cada píxel. A pesar de que los CMOS tienen muchos amplificadores, esto puede resultar en un mayor ruido en comparación con los sensores CCD, que tienen menos amplificadores.

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