Tìm hiểu về CCD và CMOS, công nghệ xử lí ảnh kỹ thuật số trong in ấn, TÌM HIỂU VỀ CCD (CHARGECOUPLED DEVICE) VÀ CMOS (COMPLEMENTARY METAL–OXIDE–SEMICONDUCTOR)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA IN VÀ TRUYỀN THÔNG MÔN HỌC: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH KỸ THUẬT SỐ BÁO CÁO ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ CCD (CHARGE-COUPLED DEVICE) VÀ CMOS (COMPLEMENTARY METAL– OXIDE–SEMICONDUCTOR) Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Chương TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN CMOS (Complementary Metal–Oxide– Semiconductor) 1.1 Khái niệm CMOS - CMOS chất bán dẫn kim loại bổ sung oxit bổ sung (CMOS), gọi chất bán dẫn kim loại đối xứng bổ sung (COS-MOS), loại MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại) sử dụng bổ sung đối xứng cặp MOSFET loại p n cho chức logic 1.2 Các lĩnh vực ứng dụng CMOS - Công nghệ CMOS sử dụng để xây dựng chip mạch tích hợp (IC), bao gồm vi xử lý, vi điều khiển, chip nhớ (bao gồm CMOS BIOS) mạch logic kỹ thuật số khác - Công nghệ CMOS sử dụng cho mạch tương tự cảm biến hình ảnh (cảm biến CMOS), chuyển đổi liệu, mạch RF (RF CMOS) thu phát tích hợp cao cho nhiều loại truyền thơng 1.3 Lịch sử phát triển CMOS - Năm 1959, Mohamed M Atalla Dawon Kahng phát minh MOSFET Bell Labs, sau trình diễn quy trình chế tạo PMOS (MOS loại p) NMOS (MOS loại n) vào năm 1960 - Năm 1963, quy trình sau kết hợp điều chỉnh thành bổ sung trình MOS (CMOS) Chih-Tang Sah Frank Wanlass Fairchild Semiconductor Khi Frank Wannlass cấp sáng chế CMOS - Vào cuối năm 1960, RCA thương mại hóa cơng nghệ với nhãn hiệu "COS-MOS", buộc nhà sản xuất khác phải tìm tên khác, dẫn đến "CMOS" trở thành tên tiêu chuẩn cho công nghệ vào đầu năm 1970 Cuối cùng, CMOS vượt qua NMOS quy trình chế tạo MOSFET chiếm ưu chip tích hợp quy mô lớn (VLSI) năm 1980, từ đến quy trình chế tạo tiêu chuẩn cho thiết bị bán dẫn MOSFET chip VLSI Tính đến năm 2011, 99% chip IC, bao gồm hầu hết IC kỹ thuật số, tín hiệu tương tự tín hiệu hỗn hợp, chế tạo công nghệ CMOS 1.4 Cấu trúc hoạt động CMOS - CMOS (Complementary MOS) có cấu tạo kết hợp PMOS NMOS mạch nhờ tận dụng mạnh loại, nói chung nhanh đồng thời mát lượng thấp so với dùng rời loại Cấu tạo CMOS cổng NOT gồm transistor NMOS transistor PMOS - Khi ngõ vào (nối chung cực cổng transistor) cao có Q1 dẫn mạnh áp lấy từ điểm chung cực máng transistor xấp xỉ 0V nên ngõ thấp - Khi ngõ vào thấp Q1 ngắt Q2 dẫn mạnh, áp xấp xỉ nguồn, tức ngõ mức cao - Để ý khác với cổng NOT NMOS, transistor không dẫn lúc nên khơng có dịng điện từ nguồn đổ qua transistor xuống mass nhờ cơng suất tiêu tán gần Tuy nhiên transistor chuyển mạch có tải có dịng điện chảy qua hay transistor nên cơng suất tiêu tán lại tăng lên Hình 1.1 Cấu trúc hoạt động CMOS Chương TÌM HIỂU VỀ CCD (Charge-Coupled Device) 2.1 Khái niệm CCD - Thiết bị ghép điện tích (CCD) thiết bị cho chuyển động điện tích, thường từ bên thiết bị đến khu vực mà việc tích tích điện điều khiển, ví dục chuyển đổi thành giá trị kỹ thuật số Điều đạt cách "dịch chuyển" tín hiệu giai đoạn thiết bị thời điểm CCD di chuyển điện tích ngăn điện dung thiết bị, với dịch chuyển cho phép chuyển điện tích ngăn Hình 2.1 Thiết bị ghép điện tích (CCD) 2.2 Các lĩnh vực ứng dụng CCD - Trước đây, CCD sử dụng phổ biến máy quét dạng phẳng - Trong năm gần đây, CCD trở thành cơng nghệ để chụp ảnh kỹ thuật số 2.3 Lịch sử phát triển CCD - 8/1970, CCD hoạt động chế tạo cơng nghệ mạch tích hợp ghi dịch chuyển bit đơn giản, báo cáo Tompsett, Amelio Smith - Năm 1973, thiết bị CCD chuyển giao nội tuyến (ILT) đề xuất L Walsh R Dyck Fairchild vào để giảm vết bẩn loại bỏ trập học - Để giảm bớt vết bẩn từ nguồn sáng mạnh, kiến trúc CCD chuyển giao khung (FIT) phát triển K Horii, T Kuroda T Kunii Matsushita (nay Panasonic) vào năm 1981 - Năm 1983, máy quay video CCD tiêu dùng sản xuất hàng loạt Sony phát hành dựa nguyên mẫu phát triển Yoshiaki Hagiwara vào năm 1981 - Năm 1987, PPD bắt đầu tích hợp vào hầu hết thiết bị CCD, trở thành vật cố định máy quay video điện tử tiêu dùng sau máy ảnh số - 1/2006, Boyle Smith trao giải thưởng Học viện Kỹ thuật Quốc gia Charles Stark Draper, năm 2009, họ trao giải thưởng Nobel Vật lý phát minh khái niệm CCD Michael Tompsett trao Huân chương Công nghệ Sáng tạo Quốc gia năm 2010, cho công việc tiên phong công nghệ điện tử bao gồm thiết kế phát triển hình ảnh CCD Ơng trao Hn chương IEEE Edison năm 2012 "những đóng góp tiên phong cho thiết bị hình ảnh bao gồm Hình ảnh CCD, máy ảnh hình ảnh nhiệt" 2.4 Cấu trúc hoạt động CCD - Cảm biến CCD thực biến đổi ánh sáng tới thành tín hiệu điện nhờ phtodiode mạch hỗ trợ Nó thiết kế chế tạo theo cơng nghệ vi mạch hay công nghệ microchip, đơn tinh thể silicon, tương tự chip khác xử lý trung tâm (CPU) máy tính, chip nhớ,… - Bề mặt chip CCD mảng pixel điện tử để thu nhận hình ảnh Ví dụ chip CCD có kích thước 2.5 x 2.5 cm có 1024 x 1024 hay 2048 x 2048 pixel bề mặt - Ngày Photodiode có dạng bề mặt vng, hình chữ nhật đa giác, kích thước từ 1,4 µm đến 20 µm, cho phép đạt mật độ cao cỡ mega pixel cho CCD có diện tích inch vuông, mà ngữ quen gọi số Mega “chấm” máy ảnh số Mật độ pixel xác định độ phân giải hình ảnh Mặt khác coong nghệ vi xử lý thực nội suy điểm ảnh đến giới hạn mà độ xác chuyển đổi ánh sáng sang điện tích cho phép, tức số pixel ảnh xuất cao số photodiode chip - Cơ chế ghi dịch CCD: Chùm điện tích thu thập hố điện nhờ điện áp dương đặt vào cực gate G Bố trí trình tự cấp điện hợp lý chuyển chùm điện tích Chương SO SÁNH CÔNG NGHỆ CCD VÀ CMOS Trên thực tế, việc so sánh hai công nghệ câu trả lời không dễ dàng câu trả lời phụ thuộc vào nhiều yếu tố Các khía cạnh xem xét đến phụ thuộc vào kĩ thuật thị trường, ảnh hưởng đến tính khả thi kĩ thuật khả thương mại 3.1 Xét hoạt động công nghệ - Đầu tiên, cảm biến CCD CMOS hai công nghệ cảm biến khác dùng để chuyển đổi tín hiệu hình ảnh sang dạng ảnh số - Cả hai công nghệ chuyển đổi ánh sang thành tín hiệu tĩnh điện qua xử lý thành tín hiệu số + Trong cơng nghệ CCD, điện tích pixel chuyển qua số điểm đầu ra, sau chuyển thành tín hiệu điện áp, lưu trữ xuất khỏi cảm biến dạng tín hiệu tương tự, tất điểm ảnh tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng tính đồng đầu cao + Cịn cơng nghệ CMOS, điểm ảnh có chuyển đổi điện tích thành điện áp riêng, cảm biến đồng thời bao gồm khuếch đại, lọc nhiễu, mạch số hóa qua tín hiệu đầu tín hiệu dạng số Những chức bao gồm thêm làm tăng độ phức tạp thiết kế đồng thời làm giảm diện tích điểm ảnh tiếp xúc với ánh sáng Khi điểm ảnh chuyển đổi cách riêng rẽ, tính đồng tín hiệu số bị giảm đi, tín hiệu xử lý song song cho có tốc độ nhanh 3.1 Trong lĩnh vực thị giác - Trong lĩnh vực thị giác máy, cảm biến CMOS dạng điện tích cảm biến hàng thừa hưởng thành cơng nghệ cảm biến máy ảnh điện thoại, qua chúng dần thay cho cảm biến CCD Bơi lĩnh vực thị giác máy hai yếu tố quan trọng để đánh giá TỐC ĐỘ ĐỘ NHIỄU Công nghệ CMOS CCD khác cách chuyển đổi tín hiệu từ dạng ánh sáng sang dạng số - Đối với cảm biến CMOS đầu pixel thiết kế song song tối đa, hạn chế tượng nghẽn tín hiệu cảm biến phần mạch điện CMOS với đầu tín hiệu số nên độ nhiễu thấp - Cảm biến CCD tốc độ cao có nhiều đầu sánh với cảm biến CMOS Bên cạnh đó, cảm biến CCD với đầu tín hiệu điện có độ nhiễu cao so với cảm biến CMOS 3.3 Tuy nhiên có số lĩnh vực mà cảm biến CMOS lại vượt trội so với cảm biến CCD - Điển hình chụp ảnh hồng ngoại, phần lớn cảm biến CMOS chế tạo cho ứng dụng chụp ảnh có ánh sáng vùng nhìn thấy, nên cảm biến CMOS không nhạy so với cảm biến CCD 3.4 Xét mặt chi phí - Đối với cảm biến cần chế tạo theo yêu cầu đặc biệt: cảm biến CCD có chi phí phát triển rẻ cảm biến CMOS cảm biến CMOS sử dụng mặt nạ silicon đắt tiền hơn, đồng thời thiết bị mạch đắt tiền hơn, trường hợp cảm biến CMOS tùy biến có khả tốt hơn, đơi cảm biển CCD lựa chọn tối ưu - Về mặt sản lượng, cảm biến CMOS có chi phí phát triển cao lại có khả thương mại cao sản lượng lớn, sản lượng lớn, chi phí sản xuất sản phẩm thấp quan trọng chi phí phát triển thấp, sản phẩm cảm biến CMOS có giá thành thấp nhờ ưa chuộng Kết luận Việc lựa chọn cảm biến CCD hay CMOS chưa công việc đơn giản, phụ thuộc vào yêu cầu đề ra, mà ứng dụng lại có yêu cầu khác ... (nay Panasonic) vào năm 19 81 - Năm 19 83, máy quay video CCD tiêu dùng sản xuất hàng loạt Sony phát hành dựa nguyên mẫu phát triển Yoshiaki Hagiwara vào năm 19 81 - Năm 19 87, PPD bắt đầu tích hợp... thơng 1. 3 Lịch sử phát triển CMOS - Năm 19 59, Mohamed M Atalla Dawon Kahng phát minh MOSFET Bell Labs, sau trình diễn quy trình chế tạo PMOS (MOS loại p) NMOS (MOS loại n) vào năm 19 60 - Năm 19 63,... qua hay transistor nên công suất tiêu tán lại tăng lên Hình 1. 1 Cấu trúc hoạt động CMOS Chương TÌM HIỂU VỀ CCD (Charge-Coupled Device) 2 .1 Khái niệm CCD - Thiết bị ghép điện tích (CCD) thiết bị