Cómo funciona un sensor de imagen CMOS: de píxel a señal digital

Operación del sensor CMOS: paso a paso

Un sensor de imagen CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) convierte la luz en datos de imagen digital usando circuitos paralelos integrados en el chip — la tecnología dominante en cámaras modernas, teléfonos y sensores.

1. Captura de fotones (fotodiodo)

Cada píxel contiene un fotodiodo enterrado (PPD). Los fotones incidentes generan pares electron-hueco. Los electrones se recolectan en un pozo de potencial. Capacidad = capacidad de pozo completo (p. ej., 20,000–100,000 e⁻).

2. Conversión de carga a voltaje (amplificador en el píxel)

El transistor seguidor de fuente (o arquitectura de píxel 3T/4T/5T) convierte la carga acumulada en voltaje en cada píxel. Esta es la diferencia clave con CCD (un solo amplificador de salida).

3. Lectura paralela por filas

• La línea de selección de fila activa una fila a la vez.
• Los voltajes de los píxeles se enrutan a través de buses de columna a ADCs paralelos por columna (convertidores analógico-digital) en la parte inferior/superior del arreglo.
• Cada columna tiene su propio ADC (o compartido entre 2 columnas) → paralelismo masivo.

4. Procesamiento de señal en el chip

• Muestreo Doble Correlacionado (CDS): Resta el ruido de reinicio (ruido kTC) — crítico para bajo ruido de lectura.
• Ganancia digital, corrección de compensación, corrección de FPN de columna.
• Bineado, HDR (múltiples exposiciones), extracción de datos de AF por detección de fase.

5. Salida

Flujo de píxeles digital (MIPI CSI-2, SLVS-EC, HiSPi, paralelo) → Procesador de Señal de Imagen (ISP) → procesamiento adicional (desmosaico, NR, mapeo de tonos, compresión) → almacenamiento/pantalla.

Resumen CMOS vs. CCD

Avances modernos

• BSI (Iluminación por la parte trasera): Cableado detrás del fotodiodo → mayor QE, píxeles más pequeños.
• CMOS apilado: Capa de píxeles + capa de lógica (DRAM, ISP) unidos → velocidad, obturador global, HDR multiframe.
• Quad Bayer / Tetracell: 4 píxeles del mismo color comparten microlente → bineado para poca luz, remosaico para alta resolución.

CMOS ganó al escalar con la Ley de Moore. Hoy los sensores de 1 pulgada, APS-C, full-frame y teléfonos son todos CMOS — y mejoran cada generación.