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)
Trang 1KHOA 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 2 năm 2020
Trang 2Chương 1
TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN CMOS (Complementary Metal–Oxide–
Semiconductor) 1.1 Khái niệm về CMOS
- CMOS là một chất bán dẫn kim loại bổ sung oxit bổ sung (CMOS), còn được gọi là chất bán dẫn kim loại đối xứng bổ sung (COS-MOS), là một loại MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại) sử dụng bổ sung và đối xứng các cặp MOSFET loại p và n cho các chức năng logic
1.2 Các lĩnh vực ứng dụng của CMOS
- Công nghệ CMOS được sử dụng để xây dựng các chip mạch tích hợp (IC), bao gồm bộ vi xử lý, vi điều khiển, chip bộ nhớ (bao gồm cả CMOS BIOS) và các mạch logic kỹ thuật số khác
- Công nghệ CMOS cũng được sử dụng cho các mạch tương tự như cảm biến hình ảnh (cảm biến CMOS), bộ chuyển đổi dữ liệu, mạch RF (RF CMOS) và bộ thu phát tích hợp cao cho nhiều loại truyền thông
1.3 Lịch sử phát triển của CMOS
- Năm 1959, Mohamed M Atalla và Dawon Kahng đã phát minh ra MOSFET
tại Bell Labs, và sau đó trình diễn các quy trình chế tạo PMOS (MOS loại p) và NMOS (MOS loại n) vào năm 1960
- Năm 1963, các quy trình sau đó được kết hợp và điều chỉnh thành bổ sung quá
trình MOS (CMOS) của Chih-Tang Sah và Frank Wanlass tại Fairchild Semiconductor Khi đó Frank Wannlass đã được cấp bằng sáng chế CMOS
- Vào cuối những năm 1960, RCA đã thương mại hóa công nghệ với nhãn hiệu
"COS-MOS", buộc các nhà sản xuất khác phải tìm tên khác, dẫn đến "CMOS" trở thành tên tiêu chuẩn cho công nghệ vào đầu những năm 1970
Cuối cùng, CMOS đã vượt qua NMOS như là quy trình chế tạo MOSFET chiếm ưu thế đối với các chip tích hợp quy mô rất lớn (VLSI) trong những năm 1980,
và từ đó đến nay vẫn là quy trình chế tạo tiêu chuẩn cho các thiết bị bán dẫn MOSFET trong các chip VLSI Tính đến năm 2011, 99% chip IC, bao gồm hầu hết các IC kỹ thuật số, tín hiệu tương tự và tín hiệu hỗn hợp, được chế tạo bằng công nghệ CMOS
1.4 Cấu trúc và hoạt động của CMOS
Trang 3cơ bản nhất của CMOS cũng là một cổng NOT gồm một transistor NMOS và một transistor PMOS
- Khi ngõ vào (nối chung cực cổng 2 transistor) ở cao thì chỉ có Q1 dẫn mạnh
do đó áp ra lấy từ điểm chung của 2 cực máng của 2 transistor sẽ xấp xỉ 0V nên ngõ ra
ở thấp
- Khi ngõ vào ở thấp Q1 sẽ ngắt còn Q2 dẫn mạnh, áp ra xấp xỉ nguồn, tức ngõ
ra ở mức cao
- Để ý là khác với cổng NOT của NMOS, ở đây 2 transistor không dẫn cùng một lúc nên không có dòng điện từ nguồn đổ qua 2 transistor xuống mass nhờ đó công suất tiêu tán gần như bằng 0 Tuy nhiên khi 2 transistor đang chuyển mạch và khi có tải thì sẽ có dòng điện chảy qua một hay cả 2 transistor nên khi này công suất tiêu tán lại tăng lên
Trang 4Chương 2
TÌM HIỂU VỀ CCD (Charge-Coupled Device) 2.1 Khái niệm CCD
- Thiết bị ghép điện tích (CCD) là thiết bị cho sự chuyển động của điện tích, thường là từ bên trong thiết bị đến khu vực mà việc tích tích điện có thể được điều khiển, ví dục như chuyển đổi thành giá trị kỹ thuật số Điều này đạt được bằng cách
"dịch chuyển" các tín hiệu giữa các giai đoạn trong một thiết bị tại một thời điểm CCD di chuyển điện tích giữa các ngăn điện dung trong thiết bị, với sự dịch chuyển cho phép chuyển điện tích giữa các ngăn
Hình 2.1 Thiết bị ghép điện tích (CCD)
2.2 Các lĩnh vực ứng dụng của CCD
- Trước đây, CCD được sử dụng phổ biến trong các máy quét dạng phẳng
- Trong những năm gần đây, CCD đã trở thành một công nghệ chính để chụp ảnh kỹ thuật số
2.3 Lịch sử phát triển của CCD
- 8/1970, CCD hoạt động đầu tiên được chế tạo bằng công nghệ mạch tích hợp
là thanh ghi dịch chuyển 8 bit đơn giản, được báo cáo bởi Tompsett, Amelio và Smith
- Năm 1973, thiết bị CCD chuyển giao nội tuyến (ILT) được đề xuất bởi L
Trang 5khung (FIT) được phát triển bởi K Horii, T Kuroda và T Kunii tại Matsushita (nay là Panasonic) vào năm 1981
- Năm 1983, máy quay video CCD tiêu dùng được sản xuất hàng loạt đầu tiên được Sony phát hành dựa trên nguyên mẫu được phát triển bởi Yoshiaki Hagiwara vào năm 1981
- Năm 1987, PPD bắt đầu được tích hợp vào hầu hết các thiết bị CCD, trở thành
vật cố định trong máy quay video điện tử tiêu dùng và sau đó là máy ảnh số
- 1/2006, Boyle và Smith đã được trao giải thưởng Học viện Kỹ thuật Quốc gia Charles Stark Draper, và năm 2009, họ đã được trao giải thưởng Nobel về Vật lý vì phát minh ra khái niệm CCD Michael Tompsett đã được trao Huân chương Công nghệ
và Sáng tạo Quốc gia năm 2010, cho công việc tiên phong và công nghệ điện tử bao gồm thiết kế và phát triển các hình ảnh CCD đầu tiên Ông cũng đã được trao Huân chương IEEE Edison năm 2012 vì "những đóng góp tiên phong cho các thiết bị hình ảnh bao gồm Hình ảnh CCD, máy ảnh và hình ảnh nhiệt"
2.4 Cấu trúc và hoạt động của CCD
- Cảm biến CCD thực hiện biến đổi ánh sáng tới thành tín hiệu điện nhờ các phtodiode và các mạch hỗ trợ Nó được thiết kế và chế tạo theo công nghệ vi mạch hay công nghệ microchip, trên nền đơn tinh thể silicon, tương tự các chip khác như bộ xử
lý trung tâm (CPU) của máy tính, chip nhớ,…
- Bề mặt chip CCD là mảng các pixel điện tử để thu nhận hình ảnh Ví dụ chip CCD có kích thước 2.5 x 2.5 cm thì có thể có 1024 x 1024 hay 2048 x 2048 pixel trên
bề mặt
- Ngày nay Photodiode có dạng bề mặt vuông, hình chữ nhật hoặc đa giác, kích thước từ 1,4 µm đến hơn 20 µm, cho phép đạt mật độ cao cỡ mega pixel cho một CCD
có diện tích 1 inch vuông, mà trong khẩu ngữ quen gọi chỉ số Mega là “chấm” của máy ảnh số Mật độ pixel xác định độ phân giải hình ảnh Mặt khác coong nghệ vi xử
lý đã thực hiện nội suy điểm ảnh đến giới hạn mà độ chính xác của chuyển đổi ánh
Trang 6sáng sang điện tích cho phép, tức là số pixel ảnh xuất ra cao hơn số photodiode của chip
- Cơ chế thanh ghi dịch của CCD: Chùm điện tích được thu thập trong hố điện thế nhờ điện áp dương đặt vào cực gate G Bố trí trình tự cấp điện hợp lý sẽ chuyển được chùm điện tích
1 2 3
4 5 6
Trang 7SO SÁNH CÔNG NGHỆ CCD VÀ CMOS
Trên thực tế, việc so sánh hai công nghệ trên là một câu trả lời không dễ dàng bởi câu trả lời còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố Các khía cạnh được xem xét đến phụ
thuộc vào cả kĩ thuật và thị trường, ảnh hưởng đến tính khả thi về kĩ thuật và khả năng
thương mại
3.1 Xét về hoạt động của 2 công nghệ
- Đầu tiên, cảm biến CCD và CMOS tuy là hai công nghệ cảm biến khác nhau
nhưng đều dùng để chuyển đổi tín hiệu hình ảnh sang dạng ảnh số
- Cả hai công nghệ đều chuyển đổi ánh sang thành tín hiệu tĩnh điện qua đó xử
lý thành tín hiệu số
+ Trong công nghệ CCD, điện tích ở mỗi pixel được chuyển qua một số rất ít các điểm đầu ra, sau đó được chuyển thành tín hiệu điện áp, lưu trữ rồi xuất ra khỏi cảm biến dưới dạng tín hiệu tương tự, tất cả các điểm ảnh đều được tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng và tính đồng đều của đầu ra cao
+ Còn trong công nghệ CMOS, mỗi điểm ảnh có bộ chuyển đổi điện tích thành điện áp riêng, cảm biến đồng thời bao gồm các bộ khuếch đại, lọc nhiễu, bộ mạch số hóa qua đó tín hiệu đầu ra là tín hiệu dạng số Những chức năng bao gồm thêm này làm tăng độ phức tạp của thiết kế đồng thời làm giảm diện tích điểm ảnh tiếp xúc với ánh sáng Khi mỗi điểm ảnh được chuyển đổi một cách riêng rẽ, tính đồng đều của tín hiệu số bị giảm đi, nhưng tín hiệu được xử lý song song cho chúng ta có một tốc độ nhanh hơn
3.1 Trong lĩnh vực thị giác
- Trong lĩnh vực thị giác máy, cảm biến CMOS dạng điện tích và cảm biến hàng
cũng được thừa hưởng những thành quả công nghệ cảm biến máy ảnh điện thoại, qua
đó chúng dần thay thế cho cảm biến CCD Bơi vì trong lĩnh vực thị giác máy hai yếu
tố quan trọng nhất để đánh giá là TỐC ĐỘ và ĐỘ NHIỄU Công nghệ CMOS và CCD khác nhau ở cách chuyển đổi tín hiệu từ dạng ánh sáng sang dạng số
- Đối với cảm biến CMOS đầu ra của các pixel được thiết kế song song một các tối đa, hạn chế được hiện tượng nghẽn tín hiệu giữa cảm biến và phần mạch điện CMOS với đầu ra tín hiệu số nên độ nhiễu thấp
Trang 8- Cảm biến CCD tốc độ cao đã có thể có nhiều đầu ra hơn nhưng vẫn không thể sánh được với cảm biến CMOS Bên cạnh đó, cảm biến CCD với đầu ra tín hiệu điện thế cũng có độ nhiễu cao hơn so với cảm biến CMOS
3.3 Tuy nhiên cũng có một số lĩnh vực mà cảm biến CMOS lại không thể
vượt trội so với cảm biến CCD
- Điển hình về chụp ảnh hồng ngoại, phần lớn các cảm biến CMOS được chế tạo
cho các ứng dụng chụp ảnh có ánh sáng trong vùng nhìn thấy, nên cảm biến CMOS không được nhạy so với cảm biến CCD
3.4 Xét về mặt chi phí
- Đối với các cảm biến cần chế tạo theo yêu cầu đặc biệt: cảm biến CCD có chi
phí phát triển rẻ hơn cảm biến CMOS bởi cảm biến CMOS sử dụng các mặt nạ silicon đắt tiền hơn, đồng thời các thiết bị mạch cũng đắt tiền hơn, bởi vậy trong trường hợp cảm biến CMOS tùy biến có thể có khả năng tốt hơn, nhưng đôi khi cảm biển CCD vẫn là lựa chọn tối ưu
- Về mặt sản lượng, cảm biến CMOS có chi phí phát triển cao hơn nhưng lại có
khả năng thương mại cao hơn bởi sản lượng lớn, khi sản lượng lớn, chi phí sản xuất một sản phẩm thấp quan trọng hơn chi phí phát triển thấp, bởi vậy các sản phẩm cảm biến CMOS có giá thành thấp hơn và nhờ đó được ưa chuộng hơn
Kết luận
Việc lựa chọn cảm biến CCD hay CMOS chưa bao giờ là công việc đơn giản,
nó phụ thuộc vào các yêu cầu đề ra, mà mỗi ứng dụng lại có những yêu cầu khác nhau