Teknologi CCD (charge-coupled device) atau jika dalam bahasa Indonesia, Peranti muatan-berpasangan adalah sebuah sensor untuk merekam gambar, terdiri dari sirkuit terintegrasi berisi larikan kondensator yang berhubungan, atau berpasangan. Di bawah kendali sirkuit luar, setiap kondensator dapat menyalurkan muatan listriknya ke tetanggannya. CCD digunakan dalam fotografi digital dan astronomi (terutama dalam fotometri), optikal dan spektroskopi UV dan teknik kecepatan tinggi seperti penggambaran untung.

Kinerja CCD

Ketika sebuah foton membentur atom, ini dapat mengangkat sebuah elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi, atau dalam beberapa kasus, melepaskan elektron dari atom. Ketika cahaya menimpa permukaan CCD, ini membebaskan beberapa elektron untuk bergerak dan berkumpul di kondensator. Elektron tersebut digeser sepanjang CCD oleh pulsa-pulsa elektronik dan dihitung oleh sebuah sirkuit yang mengambil elektron dari setiap piksel kedalam sebuah kondensator lalu mengukur dan menguatkan tegangan yang membentanginya, lalu mengosongkan kondensator.

Ini memberikan sebuah citraan hitam-putih yang efektif dengan mengukur seberapa banyak cahaya yang jatuh disetiap piksel. CCD yang memiliki baris tunggal dapat digunakan sebagai saluran tunda. Sebuah tegangan analog dikenakan pada kondensator pertama dalam larikan, dan perintah yang berselang tetap diberikan kepada setiap kondensator untuk memindahkan muatannya ke tetangganya. Dengan demikian seluruh larikan digeser setiap satu lokasi.

Setelah sebuah tundaan yang setara dengan jumlah kondensator dikalikan interval geser, muatan yang mencerminkan sinyal masukan tiba di kondensator terakhir di larikan, dimana muatan ini dikuatkan untuk menjadi sinyal keluaran. Proses ini terus berlanjut, menciptakan sebuah sinyal di keluaran yang merupakan versi tertunda dari masukan, dengan beberapa cacat dikarenakan frekuensi pencuplikan. Sebuah CCD yang digunakan untuk hal ini juga dikenal dengan saluran tunda regu-ember. Penggunaan CCD dalam hal ini sering digantikan dengan saluran tunda digital.

CCD dengan beberapa baris piksel menggeser muatannya secara vertikal menuju ke baris terbawah, dan hanya baris terbawah yang dibaca keluarannya secara konvensional. Kecepatan dari sirkuit pengukur harus cukup cepat untuk menghitung semua baris bawah, lalu menggeser baris tersebut kebawah dan mengulanginya untuk setiap baris yang lain, hingga seluruh baris terbaca. Di kamera video, seluruh proses ini membutuhkan kira-kira 40 kali setiap detik.

Beberapa faktor dapat memengaruhi ketika foton mengakibatkan bumn membebaskan elektron, sirkuit dalam CCD dapat menghalangi cahaya untuk masuk, gelombang yang lebih panjang dapat menembus kedalam CCD tanpa berinteraksi dengan atom-atom, beberapa gelombang yang lebih pendek dapat memantul di permukaan, dan lain sebagainya. Mengetahui berapa banyak foton yang jatuh ke permukaan fotoreaktif akan membebaskan elektron adalah ukuran akurat sensitivitas CCD. Hal ini disebut dengan efisiensi kuantum dan dinyatakan dalam persentase.

CCD yang memiliki beberapa piksel digunakan di kamera digital, pemindai gambar, dan kamera video sebagai peranti pengindera cahaya. CCD biasanya merespon 70% cahaya (sama dengan efisiensi kuantum sebesar 70%) membuatnya lebih efisien daripada film fotografi, yang hanya menangkap kira-kira 2% cahaya. Sebagai hasilnya, CCD dengan cepat menjadi pilihan bagi para astronom. which captures only about 2% of the incident light. Sebuah citra diarahkan ke larikan kondensator oleh lensa, menyebabkan setiap kondensator untuk menampung muatan listrik sesuai dengan intensitas bahaya pada tempat tersebut. Sebuah larikan satu dimensi, yang digunakan di kamera pindai-garis, menangkap potongan tunggal dari gambar, secangkan larikan dua dimensi, yang digunakan di kamera dan kamera video, menangkap seluruh gambar atau sebagian persegi darinya. Setelah larikan dipaparkan kepada gambar, sebuah sirkuit kontrol menyebabkan setiap kondensator untuk memindahkan muatannya ke tetangganya.

Kondensator terakhir dalam larikan membuang muatannya kedalam sebuah penguat yang mengubah muatan menjadi tegangan listrik. Dengan mengulangi proses ini, sirkuit kontrol mengubah seluruh isi larikan menjadi tegangan yang bervariasi, yang disimpan di memori. Gambar yang tersimpan dipindahkan ke pencetak, peranti penyimpan, atau penampil gambar. CCD juga digunakan secara luas sebagai sensor untuk teleskop, dan peranti penglihatan malam. Sebuah penggunaan menarik dalam astronomi adalah penggunaan CCD untuk membuat sebuah teleskop tetap, berperilaku seperti teleskop penjejak dan mengikuti pergerakan langit.

Muatan di CCD dipindah dan dibaca paralel dengan pergerakan langit dan dengan kecepatan yang sama. Dengan cara ini, teleskop dapat mengambil gambar langit yang lebih luar daripada bidang pandang normal. CCD biasanya sensitif terhadap cahaya inframerah, yang memungkinkan fotografi inframerah, peranti penglihatan malam, dan perekaman video tanpa pencahayaan (atau nyaris tanpa cahaya). Karena sensitivitasnya terhadap inframerah, CCD yang digunakan di astronomi biasanya didinginkan dengan nitrogen cair, dikarenakan radiasi benda hitam inframerah dikeluarkan oleh sumber berpui ruangan.

Satu lagi konsekuensi dari sensitivitasnya terhadap inframeral adalah inframerah dari remote control sering terlihat di kamera CCD, jika tidak dilengkapi dengan filter inframerah. Pendinginan juga mengurangi arus gelap larikan, meningkatkan sensitivitas pada cahaya intensitas lemah, bahkan untuk ultraviolet dan gelombang terlihat. Desah bahang, arus gelap, dan sinar kosmik dapat mengubah piksel di larikan CCD. Untuk menghindari diek ini, astronom mengambil pengungkapan dengan shutter tertutup. Bingkai gelap ini lalu dikurangkan dari gambar asli untuk membuang efek desah bahang.

Setelah menjelajah dan mengulas mengenai pengertian dan kegunaan teknologi CCD kali ini kami akan kembali mengajak Anda mengulas perkembangan teknologi CCD.

CCD pada kamera

Kamera digital biasanya menggunakan tapis Bayer sebelum CCD. Setiap persegi dari empat piksel ditapis merah, biru dan dua hijau (mata manusia kecil sensitif terhadap hijau). Sebagai hasilnya informasi diambil disetiap piksel, tetapi piksel warna memiliki resolusi yang lebih rendah daripada piksel sebenarnya. Pemisahan warna yang lebih baik dapat dicapai dengan tiga peranti CCD dan sebuah prisma dikroik pemisah warna, ini memisahkan gambar menjadi komponen merah, hijau, dan biru (RGB). Setiap CCD disusun sedemikian pura sehingga merespon warna tertentu. Beberapa perekam video semiprofesional dan semua perekam video profesional menggunakan teknik ini. Sejak sensor CCD beresolusi tinggi panitau mahal, bahkan seorang fotografer profesional sulit menjangkau kamera 3CCD beresolusi tinggi. Ada beberapa kamera yang menggunakan filter warna berputar untuk mencapai kejernihan warna dan resolusi tinggi dengan harga yang relatif rendah. Kamera jenis ini sangat jarang dan hanya dapat digunakan untuk memotret obyek diam.

Dasar Operasi

Dalam CCD untuk menangkap gambar ada suatu daerah photoactive (sebuah epitaxial lapisan silikon), transmisi dan wilayah terbuat dari shift register. Gambar diproyeksikan melalui lensa ke array kapasitor (wilayah photoactive), sehingga setiap kapasitor untuk mengumpulkan charge listrik yang sebanding dengan cahaya intensitas di lokasi itu. Sebuah array satu dimensi, digunakan sesuai-scan kamera, menangkap sepotong gambar tunggal, sedangkan array dua dimensi, yang digunakan dalam kamera video dan still image, menangkap gambar dua dimensi sesuai dengan pemandangan diproyeksikan ke bidang fokus dari sensor. Setelah array telah terkena gambar, sirkuit kontrol menyebabkan setiap kapasitor untuk mentransfer isinya ke tetangga (operasi sebagai register geser). Kapasitor terakir dalam dump array mengisi charge amplifier, lalu mengubah charge menjadi tegangan .

Dengan mengulangi proses ini, control sirkuit mengubah seluruh isi dari array dalam semikonduktor ke urutan tegangan. Dalam perangkat digital, tegangan ini kemudian menjadi sampel digital, dan biasanya disimpan dalam memori; dalam sebuah perangkat analog (seperti kamera video analog), dimana akan diproses menjadi sinyal analog kontinyu yang kemudian diolah dan keluar ke sirkuit lainnya untuk transmisi, rekaman, atau pengolahan lainnya.

Dengan berkembangnya teknolgi yang semakin dewasa ini, hadirlah teknmologi CMOS yang menandingi teknologi CCD. Menciptakan sensor gambar dari semikonduktor menjadi lebih mudah. Karena ini merupakan teknologi dominan untuk seluruh pembuatan chip, sensor gambar CMOS murah untuk dibuat dan sirkuit pengkondisian signal dapat dimasukkan ke dalam alat yang sama. Keuntungan yang terakhir tersebut menolong mengurangi kelemahannya terhadap desah, yang masih merupakan problem. Sensor CMOS juga memiliki keuntungan pengkonsumsian daya yang lebih rendah dari CCD.

CMOS juga kadang-kadang disebut sebagai pelengkap-simetri-semikonduktor-oksida logam (atau COS-MOS). Dua karakteristik penting dari perangkat CMOS tinggi kebisingan kekebalan statis dan rendah konsumsi daya . Daya yang signifikan hanya ditarik sementara transistor dalam perangkat CMOS berpindah antara on dan off states. Akibatnya, perangkat CMOS tidak menghasilkan banyak panas limbah sebagai bentuk lain dari logika, misalnya logika transistor-transistor (TTL) atau logika NMOS , yang menggunakan semua perangkat n-channel-channel tanpa perangkat p. Hal ini alasan mengapa CMOS memenangkan lomba pada tahun delapan puluhan dan menjadi teknologi yang digunakan untuk diterapkan di VLSI chip.

Rincian Teknis Teknologi CMOS

CMOS mengacu pada gaya tertentu dari desain sirkuit digital, dan proses yang digunakan untuk mengimplementasikan sirkuit pada sirkuit terpadu (chip). Karena kelebihan ini telah meningkat dan tumbuh lebih penting, proses CMOS serta variannnya telah datang untuk mendominasi, sehingga sebagian besar sirkuit terpadu modern manufaktur terdapat pada proses CMOS. Pada 2010, CPU yang terbaik dengan kinerja per watt setiap tahun telah dihasilkan CMOS dengan logika statis sejak tahun 1976.

Sirkuit CMOS menggunakan kombinasi dari tipe-p dan tipe-n metal-oksida-semikonduktor transistor efek medan (MOSFET) untuk melaksanakan gerbang logika dan rangkaian digital yang ditemukan di komputer, peralatan telekomunikasi, dan peralatan pengolahan sinyal. Meskipun logika CMOS dapat diimplementasikan dengan perangkat terpisah (misalnya, dalam sebuah kelas sirkuit pengantar), produk komersial CMOS sirkuit terpadu yang terdiri dari jutaan (atau ratusan juta) dari kedua jenis transistor pada sepotong silikon berbentuk persegi panjang antara 10 untuk 400mm. Perangkat ini umumnya disebut "chip".

Komposisi

Prinsip utama di balik rangkaian CMOS adalah memungkinkan untuk mengimplementasikan gerbang logika dengan menggunakan tipe-p dan tipe-n. Ketika sebuah jalur untuk output diciptakan dari sumber tegangan, sirkuit dikatakan berhenti.

Inversi

Sirkuit CMOS dibangun sehingga semua transistor PMOS harus mempunyai masukan dari sumber tegangan atau dari PMOS transistor lain. Demikian pula, semua transistor NMOS harus mempunyai masukan dari tanah atau dari transistor NMOS lain. Komposisi dari transistor PMOS menciptakan rendah resistansi antara sumber dan kontak menguras ketika rendah gerbang tegangan diterapkan dan resistensi tinggi ketika tegangan tinggi diterapkan. Di sisi lain, komposisi dari transistor NMOS menciptakan resistansi tinggi antara sumber dan emigrasi ketika tegangan rendah diterapkan dan resistansi rendah ketika tegangan tinggi diterapkan. CMOS menyelesaikan pengurangan saat ini dengan melengkapi setiap NMOSFET dengan pMOSFET dan menghubungkan kedua pintu dan kedua saluran pembuangan bersama-sama. Sebuah tegangan tinggi di gerbang akan menyebabkan NMOSFET untuk melakukan dan tidak melakukan pMOSFET dan tegangan rendah di gerbang menyebabkan sebaliknya.

Duality

Karakteristik penting dari suatu rangkaian CMOS adalah dualitas yang ada antara transistor nya transistor PMOS dan NMOS. Sebuah sirkuit CMOS dibuat untuk memungkinkan jalan selalu ada dari output baik sumber daya atau ditumbuk.

Logika

Fungsi logika kompleks lainnya seperti yang melibatkan AND dan OR gerbang memerlukan memanipulasi jalan antara gerbang untuk mewakili logika. Ketika sebuah jalur terdiri dari dua transistor dalam seri, maka kedua transistor harus memiliki resistansi rendah dengan tegangan suplai yang sesuai dengan pemodelan AND. Ketika sebuah jalur terdiri dari dua transistor secara paralel, maka salah satu atau kedua transistor harus memiliki resistansi rendah untuk menghubungkan tegangan suplai ke output sesuai dengan pemodelan OR.

CMOS Analog

Selain aplikasi digital, teknologi CMOS juga digunakan dalam aplikasi analog. Misalnya, ada CMOS penguat operasional IC. Transmisi gerbang dapat digunakan sebagai pengganti sinyal relay. Teknologi CMOS juga banyak digunakan untuk RF sirkuit sepanjang jalan ke frekuensi microwave, dalam campuran-sinyal (analog + digital) aplikasi.

Kisaran Suhu CMOS

Perangkat CMOS konvensional bekerja selama rentang -55 ° C sampai 125 ° C. Ada indikasi teoretis sejak Agustus 2008 dimana CMOS silikon akan bekerja turun ke 40 K , atau -233 ° C. suhu 40 K telah dicapai dengan menggunakan overclock AMD Phenom II prosesor dengan kombinasi nitrogen cair dan helium pendingin cair.

Semoga bermanfaat!!