About / Advertise
Det är omkring 25 år sedan de första CCD-elementen togs fram. Idag används de som bildsensorer för både professionella TV-kameror och enkla konsumentkameror.
Men i skotska Edinburgh finns VLSI Vision med en teknik som utmanar CCD- elementen på flera plan, nämligen ljuskänsliga CMOS-sensorer.
Enligt vad Elektroniktidningen erfar är bildkvaliteten för CMOS ännu inte uppe i samma nivå som dagens CCD-element kan uppvisa. Å andra sidan var det bara några år sedan de bästa CCD-elementen också hade problem med dålig kontrastkänslighet och brusiga bilder.
Hur lång tid det dröjer innan CMOS-kretsarna kommer dit och är redo att ta över är svårt att svara på. Men att det blir så verkar alldeles klart. CMOS är billigare och drar mindre ström och kan dessutom tillverkas av ett stort antal företag utan att några tunga investeringar behövs. En ren tidsfråga således.
Det finns många likheter mellan CCD och CMOS. Båda teknikerna konverterar infallande ljus, det vill säga fotoner, till elektriska laddningar. De baseras båda på kisel, vilket gör att de är ljuskänsliga på ungefär samma sätt i det synliga spektrumet.
Båda teknikerna kan hantera två typer av fotoelement - fotogrinden (fotogaten) och fotodioden. Generellt är fotodioden mer ljuskänslig, vilket kan vara viktigt om man vill bygga en färgkamera.
Samma sorts teknik används också i båda fallen för att bygga färgsensorer, det vill säga genom att lägga ett filter över varje pixel, i praktiken rött, blått eller grönt.
CCD kräver speciell process
För att skapa en CCD-krets används en speciell VLSI-process med vars hjälp man skapar ett rutnät av polykiselelektroder på ytan av kretsen. Finessen är att storleken blir så liten att enskilda paket med elektroner kan hållas intakta under det att de flyttas från den punkt där ljuset detekterades. över kretsen, till en utgångsförstärkare. För att göra detta används en klockkrets som inte är inbyggd i CCD-kretsen.
Det går visserligen att bygga in klockfunktioner och annan logik direkt på kretsen, men det lönar sig knappast ekonomiskt. Därför är CCD-lösningar oftast sammanbyggda av ett flertal olika kretsar, förr upp emot åtta stycken men numera ned till två kretsar.
Den kritiska byggstenen i en CCD-lösning är klockorna. Amplituden och formen på klockpulsen är av yttersta vikt för att det hela ska fungera. Ett problem med detta är också att det krävs ett antal spänningskällor och det är inte ovanligt att CCD-kretsar kräver fem till sex olika matningar.
Men CCD-tekniken är numera väl utvecklad. Idag blir upplösningen utmärkt, och till de slutliga bilderna genereras endast lite brus.
En transistor per pixel
CMOS-kretsar känner visserligen av ljuset på samma sätt som CCD-kretsarna gör. Men mycket är helt annorlunda. Exempelvis förs laddningspaketen inte vidare, utan detekteras av laddningsförstärkare uppbyggda av CMOS-transistorer. I somliga fall sitter förstärkarna överst i varje kolumn av pixlar och varje pixel innehåller i sig en transistor som används för att föra informationen i pixeln vidare till förstärkarna. CMOS-kretsar av denna typ kan kallas för "passiva pixel"-sensorer och fungerar som analoga DRAM-kretsar.
Men i andra lösningar sitter laddningsförstärkarna direkt på varje pixel - ett slags aktiva pixlar med andra ord. CMOS-sensorer med aktiva pixlar har ofta minst tre transistorer per pixel. De ger mindre brus men sämre packningstäthet.
Tillverkas i standardprocess
En fördel med CMOS-sensorer är att de kan tillverkas i standardprocesser för CMOS.
Svårigheten med CMOS-sensorer är att matcha alla förstärkartransistorerna med varandra, men enligt VLSI Vision är det problemet numera löst.
Fördelen med CMOS-sensorer är å andra sidan att i stort sett allting som behövs för att skapa en elektronisk kamera kan byggas in i samma krets. Det ger flera fördelar: priset blir lägre och konstruktionen drar bara någon tredjedel av den ström som motsvarande CCD-konstruktion kräver.
Björn Segerblad
