CMOSセンサー – スマートフォンでどうしてこんなに素晴らしい写真が撮れるのか、考えたことがありますか？携帯型カメラにはCMOSセンサーが搭載されており、高画質を実現するために欠かせない要素となっています。このセンサーとそのPCBレイアウトについてもっと知りたいと思いませんか？それなら、このページが最適です。このページでは、CMOSセンサーについて、そして安定した性能を発揮するためのガイドラインについてご紹介します。
CMOSセンサーとは？
CMOSセンサーとは、相補型酸化膜半導体素子（Complementary Meta-oxide-Smiconductor Device）のことです。イメージセンサーの一種で、カメラが画像を作成するために必要な情報を識別して転送する役割を担っています。センサーは、物体を通り抜けたり、物体にぶつかったりした光を検知し、それを捕らえます。太陽は、後でビジョンを提供する信号に変換されます。
イメージセンサーの2つの主要なタイプは、CMOSとCCDです。家電製品、医療機器、狩猟や軍事産業で使用される赤外線装置、ソナーやレーダー製品など、数多くの産業がこれらのセンサーを利用している。
CCDセンサーとCMOSセンサーの違いとは？
スマートフォンやデジタルカメラなど個人向けの製品では、CMOSセンサーが使われていることが多いようです。CMOSセンサーが選ばれる理由は、手頃な価格と適度な消費電力にあります。スマートフォンのユーザーは、低価格でバッテリーの持続時間を確保することが重要です。また、CMOSセンサーは、静止画撮影が必要な場所での主要な選択肢となっています。
CMOSとCCDの共通点は、光を取り込み、それを電気信号に変換することです。CCDの特徴は、1つ1つのセルがアナログであることです。太陽を感知すると、各センサーにある小さな電荷がチップ内に保持される。最も近いアンプは、画素内の電荷を増幅する役目を持っている。このプロセスは、すべての画素行のコストと出力が拡大するまで続けられる。
それとは異なり、CMOSセンサーは画素ごとにアンプを搭載しています。そのため、光を取り込むためのスペースが小さくなってしまいます。しかし、フォトダイオードの前にはマイクロレンズがあるので、問題にはなりません。このレンズは、光をダイオードに集光する役割を担っています。そうでなければ、見逃してしまうかもしれません。
CMOSセンサーの利点は何でしょうか？
まず、CCDのように多くの部品を使う必要がありません。そのため、民生機器への搭載も容易です。これらのセンサーは、CCDよりも高速で、また低消費電力であるため、アプリケーションのバッテリーを増やすことができます。最後に、静電気放電に対する耐性が向上するというメリットもあります。
CMOSセンサーの集積度の重要性
CMOSセンサーの最大の特長は、集積化されていることです。そのため、基板上に搭載できる部品点数が少なく、省スペース・省コストが実現できる。
また、CMOSセンサーはノイズに弱いという特徴があります。低ノイズでの撮影が可能なため、この点は非常に重要です。しかし、他の部品からEMIが発生したり、電源電圧に変動やリップルがあると、ノイズや粒状感のある写真になることがあります。これらはすべてノイズの原因になりますし、過渡的なオーバーシュートやアンダーシュートにも注意する必要があります。
CMOSセンサーは、画素単位でアナログ信号を検出する役目があります。次にその信号をデジタル数値に変換し、その情報は外部信号の処理を担当するICに送られるのです。つまり、混在するメッセージを適切にルーティングすることを第一に考える必要があるのです。
LVDSなどの信号規格を利用したセンサーがあります。ルールに従った配線がなされていることを確認する。もう一つ考慮すべきは、電源電圧です。チップのアナログ回路とデジタル回路には、おそらく異なる電源が必要になります。それは、それらが多様な電圧範囲を利用するからだ。デジタル回路の電圧は異なるかもしれませんが、アナログの電圧は-3Vが標準となっており、メーカーによっては異なる種類を選ぶ場合もあります。
CMOSセンサー-CMOSセンサーレイアウトのその他の注意点
CMOSセンサーを実装する場合、通常はスルーホールか表面実装を使用することになる。場合によっては、これらのセンサーをダイの形にして、BGAパッケージに実装することもあります。しかし、他のセンサーを信号処理ブロックに組み込むことも可能です。シングルSoC（システムオンチップ）方式では、4層以上のレイヤーが必要になりますが、これはスタックアップ管理で留意すべき点です。
その層数を使うべき理由は、CMOSセンサーを搭載した表層の1層下にグランド層を設定するためです。グランドプレーンには、デジタル部とアナログ部で異なる領域を設ける必要があります。ノイズ感度の問題が発生する可能性があるので、グランドプレーンを分割するのは賢明ではないかもしれません。また、高周波や高速になる回路はセンサーの近くに置きたくないので、センサーから離れた場所に配置することを検討してください。
CMOSセンサー – フレックスリボンを使って、出力と入力の接続をその上に通すことも考えられます。
ただし、CMOSセンサーを基板上に適切に配置することで、初めて可能になります。また、信頼性の高いリターンパスの確立も検討する必要があります。そのおかげで、回路のEMI脆弱性を減らすことができ、センサーと基板の信頼性を向上させるために不可欠となります。大半のメーカーは、CMOSセンサーにフレキシブルプリント基板を使用することを避けるでしょう。
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CMOSセンサー – 数学的レイアウトと機械的エンクロージャーの間のバランス
プリント基板のレイアウトには、当然ながら一定の仕様があります。例えば、機械的な筐体と電気的なレイアウトの最適なバランスを確保することが重要です。フィルターやレンズなどの光学系をメカ的に収容しつつ、撮像センサーを搭載する基板を組み込む必要があるからです。
また、カメラによっては、光学系を動かして希望のフォーカスを設定することが可能な場合もあります。しかし、それが可能であっても、センサーを搭載したプリント基板は同じ位置に置いておく必要があります。移動させる方法もありますが、高度な幾何学が必要です。
幸い、最近のスマートフォンにはオートフォーカスを可能にするアルゴリズムが搭載されています。そのため、レンズの移動を気にする必要はありません。ただし、電気系と機械系の両方のチームと連携して、すべてが完璧に収まるようにする必要があります。
CMOSセンサー – 高速レイアウトにおけるCMOSセンサー・部品配置ガイド
PCBレイアウトの設計には、通常のルールが適用されます。つまり、DFM（Design for Manufacturing）アプローチを活用し、現実の機械が組み立てられるような基板を作成する必要があります。ただし、高速レイアウトの場合は、部品配置について特別な配慮が必要です。
回路経路は、信号が交差する距離を最短にしたいので、優先順位をつける必要があります。ピンはクリティカルネットにできるだけ直接接続する必要があり、回路の回路図を見ながら検討する必要がある。
また、信号のトレースがスプリットプレーンを通過するのも避けたい。そうすることで、高速レイアウトに不可欠なリターンパスの信頼性を確保することができます。さらに、特定の部品が高温になると困るので、冷却のためのオプションも検討します。
CMOSセンサー-高速PCB回路の適切な配線方法
トレースの配線については、それほど驚くことはないでしょう。しかし、トレース長の要件が異なる場合があり、推奨されるガイドラインに従うことが不可欠です。適切なソフトウェアを使用するか、専門家に依頼すれば、理想的なトレース幅を決定するのに問題はないはずです。
最も直進性の高い経路が、アプリケーションにとって最適な配線ソリューションであるとは限らないことに留意することが重要です。高速トレースの確保を第一に考え、信号経路全体を考慮することが最適な方法です。
まとめ
CMOSセンサーは、最高品質の画像を確保する非常に有用な部品であり、スマートフォンやその他のコンシューマ製品に最適な選択肢である。
このセンサーを搭載するプリント基板には、特有の特性があり、設計・製造時に留意する必要がある。高性能な画像センサーを搭載した信頼性の高いプリント基板を求めるなら、業界のエキスパートに依頼するのがよいでしょう。なぜなら、彼らは十分な信頼性と耐久性を備えた基板を提供し、すべてが機能していることを確認することができるからです。
