Кмоп-матрица

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) или КМОП (Комплементарная Метал-Оксид Полупроводник) — это матрица изображения, изготовленная на основе КМОП-элементов. Также как ПЗС, КМОП-матрица состоит из фотодиодов, но роль «хранителя» заряда выполняет конденсатор.

Рядом с фотодиодом располагаются транзисторы. Первый в качестве электронного ключа открывающего цепь «фотодиод—конденсатор», второй для установки конденсатора в «начальное» состояние. Как правило, «начальным» состоянием у конденсатора КМОП-матрицы будет заряженное состояние, а фотодиод будет разряжать его. Сначала конденсатор заряжается до определенного значения. Затем транзистор цепи заряда закрывается, и конденсатор начинает разряжаться через цепь фотодиода. Чем больше света попадает на фотодиод, тем больше он разряжает конденсатор.

Затем измеряется оставшееся напряжение, и по полученному значению падения напряжения определяется количество света, попавшего на определенную ячейку. Время между прекращением заряда конденсатора и измерением напряжения на нем будет временем экспозиции. Напряжение и яркость света обратно пропорциональны «черному» цвету (или отсутствию света). В КМОП-матрице этому состоянию будет соответствовать полностью заряженный конденсатор, в ПЗС-матрице наоборот — незаряженная ячейка.

Для считывания информации в структуру ячейки КМОП-матрицы добавляется дополнительный транзистор — усилитель, а также транзисторы выбора ячейки в составе столбца или строки (рис. 8) [7]. Кроме того, технология КМОП позволяет разместить на кристалле матрицы все аналого-цифровые элементы схемы, необходимые для получения полностью законченной системы на кристалле. Выходными интерфейсами матрицы могут быть цифровые интерфейсы или аналоговые. Для работы матрицы необходима лишь подача напряжения питания и кварцевый генератор.

Рис. 8. Последовательность считывания ячеек КМОП-матрицы.

На рис. 9 и в таблице 1 представлена сравнительная структурная схема матриц ПЗС и КМОП.

Рис. 9. Структурная схема матриц ПЗС и КМОП

ПЗС-матрицы находят свое применение в высокочувствительных приборах среднего и hi-end класса. Но в сегменте недорогих массовых устройств все большую конкуренцию ПЗС составляют КМОП-матрицы, технология производства которых в последние годы достигла уровня, позволяющего выпускать микросхемы, которые не уступают по своим техническим характеристикам ПЗС, но являются более дешевыми и экономичными. Так, в отчете компании In-Stat [7], занимающейся маркетинговыми исследованиями рынка, к середине 2007 года КМОП-матрицы доминировали на рынке над ПЗС-матрицами, занимая более 75% от общего объема производства.

Таблица 1.

Основные отличия между матрицами пзс и кмоп.

ПЗС-матрица	КМОП-матрица
Заряжается светом	Разрежается светом
Считывается от строки к строке последовательно	Строки и столбцы могут считываться произвольно, что позволяет строить более гибкие системы
Имеют лучшую чувствительность, но требуют дополнительных микросхем для получения изображения, что увеличивает стоимость, размеры и энергопотребления.	Содержат все устройства на одном кристалле, что делает систему экономичной, компактной и дешевой.