Bloque adquisidor de imagen

Este bloque mide la intensidad de luz y la convierte en un valor digital. El bloque adquisidor de imágenes debe constar de un sensor de intensidad de luz y una

y conversor A/D

PWL

Figura 4.2: Diagrama en bloques de la celda.

estructura que digitalice su valor. Los dos sensores típicos para medir intensidad de luz en tecnología CMOS son el fotodiodo y el fotogate.

Un fotodiodo puede construirse de maneras diferentes en un proceso estándar CMOS. En el caso de un proceso con sustrato p existen dos alternativas. La primera alternativa consiste en una juntura p-n implantando una difusión n de alto nivel de dopado (comúnmente denominada n+) directamente en el sustrato p; la otra alternativa consiste en una juntura p-n entre el sustrato implantado n (ó n-Well) y el sustrato p de la oblea de silicio o wafer. Al incidir fotones en el silicio, estos crean pares hueco-electrón. Para separar el hueco del electrón y crear una corriente eléctrica, se utiliza un campo eléctrico que acelera las cargas. En este caso, se utiliza la existencia de campo eléctrico dentro de la región de vaciamiento de una juntura p-n polarizada en inversa. La corriente generada por la incidencia de los fotones descarga la capacidad de la juntura p-n. Luego de un tiempo de integración, la tensión en los terminales del diodo será inversamente proporcional a la intensidad de luz.

Los fotogates son otra de las posibilidades para realizar un sensor de luz, a través de una estructura formada por polisilicio, aislante y material semiconductor. Esta estructura implementa un capacitor MOS que al estar expuesto a la luz e intercambiar carga con un circuito externo se convierte en un fotogate. El voltaje de compuerta se elige para que el capacitor trabaje en la zona de vaciamiento de forma

que los portadores mayoritarios del semiconductor (sustrato) se alejen de la supercie formando una región de vaciamiento. En dicha región, al igual que en los fotodiodos, los pares hueco-electrón generados por la absorción de luz son recolectados.

Una gran diferencia del fotogate con respecto al fotodiodo es que los pares hueco- electrón no se suman en la generación de una corriente sino que son integrados en la carga contenida en el capacitor MOS. Esta alternativa de fotodetector tiene como principal ventaja un menor nivel de ruido. Por otro lado la presencia del gate en la zona expuesta a la luz incidente reduce la eciencia cuántica, en particular para las ondas de mayor energía (o menores longitudes de onda) que son absorbidas en gran medida por el polisicio del gate.

Existen dos formas de utilización de los sensores de luz: lectura directa de la corriente o de integración de la corriente en un capacitor.

El método de lectura directa de corriente es utilizado principalmente en aquellos casos que se necesita que la cámara trabaje en tiempo continuo, y consiste en la medición de la corriente a través del mismo. Este método en general tiene un nivel de ruido mucho mayor que el de integración y se utiliza solo en los sistemas donde su característica de tiempo continuo lo justique. El método de integración de la corriente consiste en cargar el dispositivo en el momento de inicio de la toma de la imagen y luego dejarlo a circuito abierto de forma que la corriente generada por la luz incidente vaya descargando la capacidad parásita del dispositivo. Al cabo de un tiempo de espera, o tiempo de integración, se tiene la medida representada por la carga residual en el fotodiodo (o photogate) lo que es equivalente a la tensión del dispositivo. Este modo de uso es de tiempo muestreado y variando el tiempo de exposición se puede variar la ganancia de conversión del dispositivo. Para leer la carga residual en el dispositivo se pueden utilizar dos conguraciones llamadas pasiva y activa.

La arquitectura con fotodetector pasiva llamada PPS (en ingles: Passive Pixel Sensor), está formada por un diodo fotoconversor polarizado en inversa y un tran- sistor funcionando como llave analógica que lo vincula a la línea de lectura. La 4.3 muestra el esquema de fotodetector pasivo. La carga del fotodetector a una tensión de inicio se hace por medio de la línea de lectura.

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Figura 4.3: Esquemático de un fotodetector pasivo.

pixel sensor), está constituida por un fotodiodo, un amplicador en conguración de seguidor para no cargar el fotodiodo, y transistores de paso y de reinicio. Estos últimos son necesarios para el acceso a la línea de lectura. En la Fig. 4.4 se muestra el fotodiodo que integra la carga para realizar la fotoconversión, seguido de un tran- sistor NMOS que funciona como amplicador seguidor de fuente. Se puede observar que para inicializar el diodo se utiliza un transistor NMOS, dado que si se utiliza un PMOS el pixel resultaria más grande debido al NWELL del transistor.

VDD S el ec ci ó n Carga inicial S eg u id o r d e fu en te Bus _{de Salida} 1

Figura 4.4: Esquematico de un fotodetector activo.

La conversión a valores digitales de la tensión muestreada se puede realizar de varias formas. Se puede colocar un solo convertidor analógico-digital (A/D) rápido con la precisión deseada fuera del arreglo, y realizar la conversión de las celdas una por una, o se puede colocar un convertidor A/D simple y pequeño en cada una de las celdas. Si se elige colocar un solo convertidor A/D fuera del arreglo, los tipos

dependiendo de la velocidad y de la precisión. Si se coloca el conversor en cada una de las celdas, éste debe ser lo más pequeño posible para minimizar el tamaño total del arreglo. Por este motivo el convertidor de rampa simple es el más indicado, dado que para realizar la digitalización de la señal muestreada, solo se necesita un comparador que realice la comparación entre la señal del sensor de luz y una rampa externa. La salida del comparador luego se utiliza como habilitación de un registro en el cual se guarda el valor de la conversión.