CCD یا CMOS


امروزه تکنولوژی‌ها و بازارهایی که از هر یک این دو استفاده می‌کنند، در حال توسعه هستند. اما مقایسه این دو، هنوز هم بسیار شبیه به مقایسه سیب با پرتقال است: هردو آنها می‌توانند مفید باشند.

سنسورهای تصویر CCD و CMOS دو تکنولوژی مختلف هستند که برای گرفتن تصاویر دیجیتالی مورد استفاده واقع می‌شوند. هرکدام دارای نقاط قوت و ضعف مخصوص به خود بوده، که آنها را برای استفاده در موقعیتهای مختلف مناسب می‌گرداند. اگرچه فروشندگان هرکدام از این تکنولوژی‌ها نظر متفاوتی دارند، با این حال هیچ کدام به طور قطع بر دیگری برتری ندارند. در پنج سال گذشته، در هر دو این تکنولوژی‌ها تغییرات زیادی ایجاد شده است، و به نوعی نادرستی بسیاری از تصاویر ارائه شده در خصوص افول یا نزول هرکدام از آنها، به اثبات رسیده است. شرایط فعلی و چشم‌انداز هر دو تکنولوژی در بستری لرزان بسر می‌برد، اما برای بررسی نقاط قوت و فرصت‌های نسبی تصویرسازهای CCD و CMOS، چارچوب جدیدی به وجود آمده است.

هر دو نوع تصویرساز، نور را به بار الکتریکی تبدیل کرده و طی فرآیندی آن را به سیگنال‌های الکتریکی بدل می‌سازند. در یک سنسور CCD، بار هر پیکسل، از طریق تعداد بسیار محدودی گره خروجی (اغلب تنها یک عدد) انتقال پیدا کرده تا به ولتاژ تبدیل شده، بافر شده، و بصورت یک سیگنال آنالوگ به خارج از تراشه ارسال شود. تمام پیکسل‌ها اقدام به جذب نور نموده و به این ترتیب یکنواختی خروجی (یکی از فاکتورهای کلیدی در کیفیت تصویر) بالاست. در یک سنسور CMOS، تبدیل بار به ولتاژ در هر پیکسل بطور مجزا انجام می‌گیرد و سنسور اغلب شامل تقویت کننده، اصلاح نویز، و مدارات دیجیتال کننده است تا خروجی تراشه بصورت بیت‌های دیجیتال باشد. افزودن چنین عملکردهای اضافی، پیچیدگی طراحی را افزایش داده و ناحیه موثر برای جذب نور را کاهش می‌دهد. وقتی هر پیکسل عملیات تبدیل را خود انجام می‌دهد، یکنواختی تصویر کمتر خواهد بود. اما در این حالت می‌توان تراشه اصلی را به گونه‌ای ساخت که برای عملیات ابتدایی به مدارات خارج از تراشه کمتری نیاز داشته باشد.

تصویرسازهای CCD و CMOS هردو در اواخر دهه ۶۰ و اوایل ۷۰ ابداع شدند. (مدیرعامل و بنیان‌گذار DALSA، دکتر ساواس چمبرلین، یکی از پیشروان تهیه هر دو این تکنولوژی‌ها به شمار می‌رود.) سنسور CCD به این دلیل فراگیر شد، که نخست با تکنولوژی ساخت موجود در آن زمان، تصاویر بسیار بهتری ارائه می‌کرد. سنسورهای تصویر CMOS، به یکپارچگی بیشتر و ترکیب کوچکتری نسبت به آنچه کارخانجات ویفر سیلیکن در آن زمان می‌توانستند فراهم کنند، نیاز داشتند. تا اینکه در دهه ۹۰ لیتوگرافی تا حدی پیشرفت کرد که طراحان توانستند به تصویرسازهای CMOS مجدداً بپردازند. تمایل احیا شده به CMOS بر اساس انتظار افراد به مصرف کمتر انرژی، یکپارچه‌سازی دوربین بر روی یک تراشه، و هزینه‌های ساخت کمتر صورت گرفت. با اینکه تمام این مزایا از لحاظ نظری امکان‌پذیر است، دست‌یابی به آن در عمل در حالی که بطور هم‌زمان تصویر کیفیت بالایی داشته باشد، زمان، پول و تطابق فرآیند بسیار بیشتری را نسبت به تصاویر پیشنهادی اولیه در بر دارد.

هر دو تصویرسازهای CCD و CMOS اگر بطور مناسبی طراحی شوند قادر هستند عملکرد تصویربرداری فوق‌العاده‌ای را به نمایش بگذارند. CCDها بطور معمول شاخص‌های عملکرد خوبی را در کاربردهای عکاسی، علمی و صنعتی، که بالاترین کیفیت تصویر را مطالبه می‌کنند، فراهم کرده‌اند. تصویرسازهای CMOS، یکپارچگی بیشتری (وجود بخش اعظم عملکرد بر روی تراشه)، مصرف انرژی پایین‌تر (در سطح تراشه) و امکان کوچکتر نمودن ابعاد را برای سیستم فراهم می‌کنند. اما در مورد CMOS، اغلب باید بین کیفیت تصویر و هزینه دستگاه یکی را فدا کرد. امروزه منبع مشخصی وجود ندارد که کاربردهای اختصاصی CMOS را تعیین کند. طراحان CMOS تلاش بسیاری را به دستیابی به کیفیت بالای تصویر اختصاص داده‌اند. درحالی که طراحان CCD از طرف دیگر، مصرف انرژی و سایز پیکسل را کاهش داده‌اند. در نتیجه، برخلاف تصور شایع، CCD را می‌توان در دوربین‌های کم هزینه و کم مصرف گوشی‌های موبایل و سنسورهای CMOS را در دوربین‌های با عملکرد بالای حرفه‌ای و صنعتی یافت. شایان ذکر است که تولید کننده‌هایی که در استفاده از هر دو موفق بوده‌اند، اغلب همواره، با داشتن سال‌ها تجربه عمیق در هر دو تکنولوژی، بازارهای مخصوص به خود را ایجاد کرده‌اند.

هزینه‌ها در سطح تراشه مشابه هستند. طرفداران اولیه CMOS ادعا می‌کردند تصویرسازهای CMOS بسیار ارزانتر هستند زیرا آنها را می‌توان بر روی همان خطوط پرحجم فرآیند ساخت ویفر، تولید کرد. اما دغدغه اصلی به این موضوع مربوط نمی‌شود. تطابقات مورد نیاز برای عملکرد تصویربرداری خوب، طراحان CMOS را ناچار ساخته است تا مکرراً فرآیند تخصصی، بهینه و کم حجم تولید سیگنال را، بسیار مشابه حالت CCD انجام دهند. روند موفقیت این فرآیند در گره‌های لیتوگرافی هرچه کوچکتر (۰٫۳۵um, 0.25um, 0.18um)، آهسته و گران قیمت بوده است. آنهایی که دارای کارخانه گداز فلز اختصاصی بودند، مزایایی داشتند. زیرا مسلماً آنها بهتر می‌توانند توجه مهندسین فرآیند را معطوف نگاه دارند. دوربین‌های CMOS ممکن است اجزاء کمتر و انرژی کمتری نیاز داشته باشند، اما آنها هنوز بطور کلی به تراشه‌های حمایت کننده نیاز دارند تا کیفیت تصویر را بهینه سازند. این خود هزینه‌ها را افزایش داده و مزایایی که از مصرف کمتر انرژی عاید می‌شود را کاهش می‌دهد. ادوات CCD نسبت به CMOS کمتر پیچیده هستند و بنابراین طراحی آنها هزینه کمتری در بردارد. بطور کلی هزینه داشتن یک تصویرساز CCD برای یک کاربرد با عملکرد بالا، نسبت به CMOS کمتر است (هم در طراحی و هم در ساخت). در هر صورت، سایز ویفر می‌تواند تاثیر بسزایی در هزینه ساخت دستگاه داشته باشد؛ هرچه ویفر بزرگتر باشد، ادوات بیشتری را می‌توان از آن ساخت و البته هزینه هرکدام نیز کمتر خواهد بود. برای کارخانجات ذوب فلز غیراختصاصی CMOS، ابعاد ۲۰۰mm برای ویفر متداول است. در حالی که در مورد کارخانجات سازنده CCD قطر ۱۵۰mm ترجیح داده می‌شود. ریخته‌گری‌های اختصاصی، از ویفرهایی با قطر ۱۵۰، ۲۰۰ و ۳۰۰ میلیمتر برای ساخت هر دو CCD و CMOS استفاده می‌کنند.

نکته مهمتر در زمینه قیمت‌گذاری، مساله قابلیت پایداری است. از آنجا که در بسیاری از موارد راه‌اندازی کارخانجات CMOS، با حجم‌های بالایی از تولید مواجه هستیم، برای در دست گرفتن بازار ناچار قیمت پایینی ارائه می‌شود. با این ترفند برای برخی، خطر احتمالی برطرف شده و حجم بالای تولید، سود کافی برای ادامه حیات را تامین کرده است. اما برخی نیز مجبور به افزایش قیمت‌های خود شدند، حتی بعضی مجبور شدند به طور کامل از این تجارت خود را کنار بکشند. آغاز یک فرآیند تولیدی، با خطرات احتمالی بالا، می‌تواند برای سرمایه‌داران ریسک‌پذیر جالب باشد، اما مشتریان تصویرسازها نیاز به پایداری و حمایت بلند مدت از جانب ایشان دارند. در حالی که تحقق مزایای مربوط به هزینه مشکل بوده، و ظهور یکپارچه‌سازی بر روی بُرد نیز با سرعت کمی انجام می‌شد، مساله سرعت چیزی است که تصویرسازهای CMOS می‌توانند قدرت قابل توجهی را در آن به نمایش بگذارند (به دلیل سهولت نسبی ساختارهای موازی خروجی). این مساله، توانایی‌های عظیمی را در کاربردهای صنعتی برای آنها فراهم می‌کند.

CCD و CMOS مکمل یکدیگر باقی می‌مانند. مانند قبل، انتخاب هریک به نوع کاربرد و فروشنده بیشتر بستگی خواهد داشت تا به خود تکنولوژی. رویکرد شرکت DALSA نگاهی بی‌طرفانه نسبت به تکنولوژی است: ما یکی از معدود فروشندگانی هستیم که قادریم راه‌حل‌های واقعی را با هر دو CCD و CMOS به شما ارائه کنیم.

ویژگی

CCD

CMOS

سیگنال خارج شونده از پیکسل

بسته الکترون

ولتاژ

سیگنال خارج شونده از تراشه

ولتاژ (آنالوگ)

بیت (دیجیتال)

سیگنال خارج شونده از دوربین

بیت (دیجیتال)

بیت (دیجیتال)

فاکتور پُرشدن (Fill factor)

بالا

متوسط

عدم تطبیق تقویت کننده

N/A

متوسط

نویز سیستم

پایین

متوسط

پیچیدگی سیستم

بالا

پایین

پیچیدگی سنسور

پایین

بالا

اجزاء دوربین

سنسور+چندین تراشه حمایتی+عدسی

سنسور+احتمالاً عدسی ولی تراشه‌های حمایتی اضافی متداول هستند

هزینه نسبی تحقیق و توسعه

پایین تر

بالاتر

هزینه نسبی سیستم

بسته به نوع کاربرد

بسته به نوع کاربرد

قابلیت پاسخ دهی

متوسط

کمی بهتر

محدوده دینامیک

بالا

متوسط

یکنواختی

بالا

پایین تا متوسط

قالب بندی یکنواخت

سریع، معمولی

ضعیف

سرعت

متوسط به بالا

بالاتر

قابلیت ایجاد پنجره

محدود

گسترده

مقاومت در برابر روشنگری (Antiblooming)

بالا تا هیچ

بالا

بایاسینگ و زمان سنجی

مضاعف، ولتاژ بالاتر

تکی، ولتاژ پایین

مسیر پیشرفت CMOS

پیش‌بینی اولیه برای CMOS

پیچش

نتیجه

معادل با CCD در عملکرد تصویربرداری

نسبت به آنچه در ابتدا تصور می‌شد، نیاز به تطبیق فرآیند بسیار بیشتر و لیتوگرافی زیرمیکرونی عمیق‌تر دارد.

در CMOS عملکرد بالاتری را شاهد هستیم ولی در عوض هزینه توسعه بیشتری نسبت به CCD نیاز دارد.

یکپارچه‌سازی مدار روی چیپ

سیکل‌های توسعه بلندمدت‌تر، هزینه‌های افزایش یافته، انتخاب بین کیفیت و نویز، انعطاف‌پذیری حین کارکرد

یکپارچه‌سازی بیشتر در CMOS، اما هنوز به چیپ‌های حمایتی در هر دو CMOS و CCD نیاز است

کاهش مصرف انرژی

بهبود مستمر در CCD‌ها

مزیتی برای CMOS، اما تفاوت بین این دو از بین رفته است

کاهش ابعاد زیرسیستم تصویرساز

اپتیک‌ها، تراشه‌های حمایتی، و بسته‌بندی اغلب فاکتورهای بارزی در ابعاد ابعاد زیرسیستم هستند

CCD و CMOS مشابه هستند

صرفه‌جویی‌های تولید انبوه ناشی از استفاده از کارخانجات منطق اصلی و حافظه

توسعه و بهبود شدید فرآیند مورد نیاز است

تصویرسازهای CMOS از خطوط تولید موروثی استفاده کرده و فرآیند کاملاً سازگار مشابه با ساخت CCD دارند


برگرفته از سیباشهر

۱۳۹۵-۸-۲۷ ۱۹:۲۱:۵۵ +۰۳:۳۰