Czujnik CMOS przetwarza światło na sygnał elektryczny, z którego powstaje obraz cyfrowy. Projektowanie PCB kamery wymaga dopasowania płytki do interfejsu czujnika, jego zasilania oraz położenia względem optyki. Pracę warto zacząć od dokumentacji wybranego układu i oszacowania strumienia danych, a następnie zaplanować rozmieszczenie elementów, prowadzenie ścieżek oraz połączenia mechaniczne.
Co to jest czujnik CMOS i jak działa?
Czujnik obrazu CMOS zawiera matrycę pikseli reagujących na światło. Fotodiody zamieniają padające promieniowanie na ładunek elektryczny, który jest następnie odczytywany. Po przetworzeniu na postać cyfrową informacja trafia do układu odpowiedzialnego za dalsze przetwarzanie obrazu. O jakości całego rozwiązania decyduje więc zarówno matryca, jak i jej współpraca z pozostałymi elementami kamery.
W matrycy CMOS z aktywnymi pikselami, określanej skrótem APS, każdy piksel ma własny wzmacniacz tranzystorowy. Typowa komórka zawiera fotodiodę, węzeł odczytu, bramkę transferową oraz tranzystory odpowiedzialne za reset, wybór piksela i pracę wtórnika źródłowego. Taka budowa odróżnia ją od matrycy CCD, w której ładunek jest przesuwany do wzmacniacza wyjściowego.
Tranzystory zajmują część powierzchni piksela, ograniczając obszar dostępny dla fotodiody. Mikrosoczewki umieszczone nad pikselami pomagają skierować światło na obszar światłoczuły. Integracja funkcji w czujniku może również ograniczyć liczbę elementów potrzebnych wokół niego, co ułatwia budowę niewielkiego modułu kamery.
CMOS a CCD — najważniejsze różnice
Obie technologie służą do rejestracji obrazu, lecz inaczej odczytują zgromadzony ładunek. W CCD jest on przekazywany między sąsiednimi pojemnościami, podobnie jak dane w rejestrze przesuwnym. Po odczytaniu linii znajdującej się najbliżej wzmacniacza kolejne linie przesuwają ładunek w jego stronę. W CMOS wzmocnienie odbywa się już na poziomie piksela.
| Cecha | CMOS | CCD |
|---|---|---|
| Odczyt sygnału | Własny wzmacniacz w każdym aktywnym pikselu. | Przesuwanie ładunku do wzmacniacza wyjściowego. |
| Pobór mocy | Zwykle mniejszy, co sprzyja zastosowaniom bateryjnym. | Zwykle większy w porównaniu z CMOS. |
| Koszt i integracja | Zwykle niższy koszt; możliwe ograniczenie liczby elementów towarzyszących. | Rozwiązanie może wymagać większej liczby elementów towarzyszących. |
| Szybkość odczytu | Możliwy szybszy odczyt niż w CCD. | Odczyt opiera się na przekazywaniu ładunku przez matrycę. |
| Typowe zastosowania | Smartfony, aparaty i inne urządzenia konsumenckie. | Historycznie sprzęt naukowy, medyczny, astronomiczny i profesjonalny. |
CMOS w dużej mierze zastąpił CCD, ale sama nazwa technologii nie rozstrzyga o jakości obrazu. Historycznie CCD wyróżniały się niższym szumem. Nowoczesne matryce CMOS mogą jednak osiągać lepsze wyniki, dlatego przy wyborze trzeba porównywać konkretne układy i warunki ich pracy. Nie należy przypisywać całej rodzinie czujników przewagi wynikającej z parametrów pojedynczego modelu.
Migawka i szumy: co wpływa na obraz?
Rodzaj migawki ma znaczenie przy rejestrowaniu ruchu. Migawka globalna rozpoczyna i kończy ekspozycję całej matrycy jednocześnie. Przy migawce kroczącej ekspozycja kolejnych wierszy jest przesunięta w czasie. W czujniku CMOS wykorzystującym taki odczyt poruszający się obiekt może wyglądać na pochylony lub zdeformowany. CCD z migawką globalną nie ma tego konkretnego problemu.
Nie należy utożsamiać technologii CMOS wyłącznie z migawką kroczącą. Rodzaj migawki trzeba sprawdzić w dokumentacji wybranej matrycy. Przy kamerze obserwującej ruchome części ten parametr powinien być uwzględniony już podczas wyboru czujnika, zanim powstanie projekt płytki.
W CMOS do ograniczania szumu stosuje się między innymi skorelowane podwójne próbkowanie, czyli CDS. Z kolei w CCD silnie oświetlone obszary przy długiej ekspozycji mogą przepełniać obszary gromadzenia ładunku i powodować pionowe smugi. Dodatkowe smużenie może powstawać, gdy ładunek nadal gromadzi się podczas odczytu. CMOS zapewnia lepszą kontrolę nad przepełnianiem ładunkiem, lecz nie zwalnia to z dbałości o zasilanie i otoczenie elektryczne matrycy.
Interfejs kamery: MIPI CSI-2, D-PHY i C-PHY
Przed prowadzeniem ścieżek trzeba ustalić, jak czujnik przekazuje dane do odbiornika. MIPI CSI-2 jest protokołem transmisji obrazu, który może korzystać z warstwy fizycznej D-PHY albo C-PHY. Te nazwy opisują różne części połączenia, dlatego samo wskazanie CSI-2 nie wystarcza do zaprojektowania połączeń elektrycznych.
| Standard | Rola w połączeniu | Co sprawdzić przed projektem PCB? |
|---|---|---|
| MIPI CSI-2 | Protokół przesyłania danych obrazu. | Zgodność nadajnika i odbiornika oraz obsługiwany format danych. |
| MIPI D-PHY | Warstwa fizyczna wykorzystywana przez CSI-2. | Wymagania połączeń opisane dla wybranego czujnika i odbiornika. |
| MIPI C-PHY | Alternatywna warstwa fizyczna wykorzystywana przez CSI-2. | Czy oba układy obsługują tę warstwę i jakie wymagania podaje ich dokumentacja. |
W sygnalizacji różnicowej odbiornik reaguje na różnicę między sygnałami o przeciwnej polaryzacji. Zbalansowane linie wraz z odbiornikiem różnicowym pozwalają odrzucać zakłócenia pojawiające się wspólnie na obu przewodach. Przy projektowaniu należy jednak kierować się wymaganiami rzeczywiście zastosowanego interfejsu. Nie można przenosić wszystkich reguł prowadzenia połączeń między różnymi warstwami fizycznymi tylko dlatego, że współpracują z tym samym protokołem.
Jak obliczyć przepływność obrazu?
Wstępne oszacowanie strumienia danych pomaga ocenić wymagania połączenia między matrycą a odbiornikiem. Dla surowych danych pikseli można posłużyć się iloczynem liczby pikseli w klatce, liczby bitów przypadających na piksel i częstotliwości rejestracji klatek:
R = N × b × f, gdzie R oznacza przepływność w bit/s, N — liczbę pikseli w klatce, b — liczbę bitów na piksel, a f — liczbę klatek na sekundę.
Przykład obliczeniowy z założonymi wartościami: przyjmijmy matrycę 12 Mpx, zapis 10 bitów na piksel i rejestrację 30 kl./s. Nie są to parametry wskazanego modelu czujnika, lecz dane przyjęte wyłącznie do obliczenia.
R = 12 000 000 × 10 × 30 = 3 600 000 000 bit/s = 3,6 Gbit/s.
Przy dodatkowym założeniu równomiernego podziału strumienia na 4 linie danych otrzymujemy:
R na linię = 3,6 / 4 = 0,9 Gbit/s.
Wynik obejmuje wyłącznie surowe dane pikseli. Pomija okresy wygaszania i narzut protokołu, więc nie jest gotowym wymaganiem dotyczącym szybkości fizycznego łącza. Założona liczba linii również nie określa możliwości konkretnej wersji D-PHY ani C-PHY. Przed wyborem układów trzeba zestawić obliczenie z rzeczywistym trybem pracy sensora i dokumentacją interfejsu.
Odsprzęganie zasilania czujnika CMOS
Wahania i tętnienia zasilania mogą pogarszać jakość obrazu. Kondensator odsprzęgający przechowuje lokalnie energię i dostarcza prąd podczas chwilowego wzrostu zapotrzebowania układu. Ogranicza w ten sposób konieczność pobierania tego prądu przez indukcyjność pasożytniczą połączenia z zasilaczem.
Kondensatory należy umieszczać możliwie blisko zasilanego układu i zadbać o krótkie połączenia. Nie wystarczy przewidzieć ich na schemacie, jeśli rozmieszczenie na płytce pozostawi długą drogę między kondensatorem a czujnikiem. Odsprzęganie powinno być zatem planowane równocześnie z rozmieszczeniem matrycy i jej wyprowadzeń zasilających.
Różne typy kondensatorów mają odmienne charakterystyki impedancji w funkcji częstotliwości, dlatego stosuje się ich kombinacje. Dobór pojemności, rodzaju elementów i napięć zasilających trzeba oprzeć na dokumentacji konkretnego czujnika. Nie ma podstaw, aby przypisywać wszystkim matrycom CMOS takie samo napięcie części analogowej lub uniwersalny zestaw kondensatorów.
Rozmieszczenie elementów i prowadzenie ścieżek PCB
Rozmieszczenie czujnika, odbiornika danych i złącza powinno umożliwiać krótkie, czytelne połączenia. Warto zaplanować przebieg najważniejszych sygnałów, zanim pozostałe elementy zajmą dostępną powierzchnię. Jednocześnie trzeba zachować miejsce potrzebne do montażu oraz dopasować projekt do obudowy i wyprowadzeń wybranego układu.
Pary różnicowe można prowadzić jako linie mikropaskowe lub wewnętrzne linie paskowe. Dla linii mikropaskowych płaszczyzna masy stanowi odniesienie, w którym płynie prąd odpowiadający sygnałowi w ścieżce. Ciągłość drogi powrotnej jest istotna: nie należy prowadzić szybkich sygnałów nad przerwami w płaszczyźnie odniesienia.
Szerokości ścieżek, ich wzajemnego odstępu i wymagań dotyczących długości nie należy dobierać według przypadkowego projektu innej kamery. Wynikają one z wymagań interfejsu i budowy płytki. Liczbę warstw również trzeba dobrać do konkretnego układu połączeń; sam wybór czujnika CMOS nie narzuca jednej konfiguracji dla wszystkich urządzeń.
Optyka, obudowa i połączenia elastyczne
Projekt elektryczny musi uwzględniać położenie matrycy względem obiektywu, filtrów i elementów mocujących. Jeśli mechanika zostanie opracowana dopiero po zakończeniu PCB, może zabraknąć miejsca na optykę lub połączenia. Uzgodnienie tych wymagań na początku pozwala ocenić, gdzie znajdzie się czujnik i którędy zostaną wyprowadzone sygnały.
W ciasno zabudowanych modułach kamer stosuje się elastyczne obwody drukowane, często oparte na folii polimidowej. Mogą służyć jako połączenia statyczne, ułożone podczas montażu i pozostające w ustalonym położeniu. Nie ma więc podstaw, by ogólnie wykluczać ich zastosowanie w kamerach CMOS.
Grubość folii mocno wpływa na sztywność połączenia elastycznego. Z tego powodu jego dobór powinien obejmować zarówno wymagania elektryczne, jak i sposób ułożenia w obudowie. Przebieg połączenia i warunki zginania trzeba uzgodnić z dokumentacją oraz wykonawcą, zamiast przyjmować dowolny promień gięcia.
Lista kontrolna przed zakończeniem projektu
Przed przekazaniem dokumentacji płytki do wykonania sprawdź, czy schemat, rozmieszczenie elementów i projekt mechaniczny opisują ten sam wariant modułu:
- Czujnik: czy rodzaj migawki odpowiada sposobowi rejestrowania ruchu?
- Interfejs: czy nadajnik i odbiornik mają zgodne wymagania protokołu oraz warstwy fizycznej?
- Strumień obrazu: czy oszacowano przepływność dla planowanego trybu pracy i uwzględniono ograniczenia prostego obliczenia?
- Zasilanie: czy wartości i rozmieszczenie elementów odsprzęgających odpowiadają dokumentacji czujnika?
- Ścieżki: czy krytyczne połączenia mają odpowiednią płaszczyznę odniesienia i ciągłą drogę powrotną?
- Mechanika: czy matryca, optyka, złącza i ewentualny obwód elastyczny mieszczą się w obudowie?
- Montaż: czy rozmieszczenie elementów jest zgodne z przyjętą metodą wykonania i montażu płytki?
FAQ — najczęstsze pytania o czujniki CMOS
Czy CMOS zawsze daje mniej zaszumiony obraz niż CCD?
Nie. Historyczna przewaga CCD pod względem szumu nie opisuje wszystkich współczesnych układów. Nowoczesny CMOS może przewyższać CCD, ale ocenę trzeba oprzeć na parametrach konkretnego czujnika i warunkach pracy.
Czy każda matryca CMOS zniekształca poruszające się obiekty?
Nie. Opisane pochylenie obrazu wiąże się z migawką kroczącą, w której kolejne wiersze są naświetlane w różnym czasie. Przed wyborem matrycy należy sprawdzić jej rodzaj migawki.
Czy obliczona przepływność pikseli wystarcza do doboru interfejsu?
To punkt wyjścia. Iloczyn liczby pikseli, bitów na piksel i klatek na sekundę nie obejmuje okresów wygaszania ani narzutu protokołu. Dobór wymaga sprawdzenia rzeczywistego trybu transmisji.
Czy można połączyć moduł kamery obwodem elastycznym?
Tak, takie połączenia są stosowane w ciasno zabudowanych kamerach. Ich dobór musi uwzględniać prowadzenie sygnałów, sztywność materiału oraz sposób ułożenia i mocowania w obudowie.
Podsumowanie
Dobry projekt PCB kamery zaczyna się od wyboru czujnika, migawki i interfejsu odpowiednich do zastosowania. Następnie trzeba oszacować strumień danych, zaplanować odsprzęganie zasilania i prowadzenie sygnałów, a całość dopasować do optyki oraz obudowy. Wymagania liczbowe powinny pochodzić z dokumentacji wybranych elementów, a nie z ogólnych porad o technologii CMOS. Projekt płytki do modułu kamery możesz omówić z OurPCB.
