¡ Una cámara de televisión del tamaño de una mano! Esto es posible gracias a dos progresos importantes: el uso de componentes miniaturizados en montajes SMD y el uso de sensores de imagen de estado sólido (CCDs). Estos sensores, que sustituyen los tubos de las cámaras convencionales de TV, frágiles, pesados y de mucho consumo, son el tema central de este artículo. En él brindamos a los lectores información sobre los últimos avances de la técnica, su principio de funcionamiento, limitaciones y posibilidades.
Obs. El artículo es de de 1989. Hoy estas cámaras son comunes.
Que un día las nuevas técnicas a harán desaparecer los tubos convencionales en las cámaras de TV, era algo que todos esperábamos. Lo que tal vez muchos no sepan es que ese día ya llegó, y hoy los sensores de imagen de estado sólido ya son una realidad. Mucho más livianos, baratos y con consumo muy bajo de energía, estos dispositivos nos brindan maravillas de la electrónica como una cámara de TV completa que cabe en la palma de la mano.
Los sensores de estado sólido, o Sensores de Transferencia de Cuadro CCD, ya son una realidad, con aplicación directa en cámaras de TV de uso tanto aficionado como profesional, habiendo ya en Europa kits completos a disposición del público.
Cómo funcionan estos sensores de estado sólido y las propias cámaras que ellos equipan es el tema de este artículo, totalmente basado en material proporcionado por Philips. Fabricando diversos tipos de sensores e inclusive cámaras, Philips se destaca en este sensor con una tecnología de punta que los lectores deben conocer.
El sensor de transferencia de cuadro
En estructura, un Sensor de Transferencia de Cuadro totalmente de estado sólido se asemeja al ojo facetado de un insecto, donde millares de sensores individuales perciben los puntos de luz que son procesados por el "cerebro" del insecto formando así la imagen completa.
En el caso de un Sensor de Transferencia de Cuadro, como el NXAlOlO de Philips, en una pastilla de apenas 7,5 mm. de diagonal, que corresponde a un cuadro de una cámara de Super-8, tenemos 347.904 sensores que captan cada punto de una imagen, resultando así una resolución excelente en la reproducción.
La pastilla de material semiconductor es montada en una cubierta convencional de circuito integrado DlL, con una ventana transparente para poder recibir la proyección de la imagen a captar. Dependiendo de la aplicación, se pueden agregar diversos sistemas de lentes y filtros.
Como la señal obtenida en la salida del sensor ya pasa por un cierto proceso, los elementos externos necesarios para la formación de una cámara completa pueden ocupar un espacio muy pequeño.
Con el uso de la técnica de montaje SMD (Surface Mounting Devices) podemos elaborar cámaras menores que un paquete de cigarrillos.
Cómo funciona el sensor
Para entender mejor cómo funciona este sensor, será interesante echar un vistazo "por dentro" de la cámara tradicional, ia "viela" cámara de TV, cuya estructura aparece en la figura 1.
La imagen se proyecta en un elemento 0 placa sensible que libera cargas eléctricas en los puntos luminosos. Un haz de barrido permite captar las cargas liberadas. Barriendo la imagen completa, línea por línea y punto por punto, obtenemos en la salida una serial de video con la información en forma "serial". Cada imagen es separada en líneas y cada línea en puntos o elementos de imagen.
En la figura 2 tenemos la estructura simplificada de un Sensor de Transferencia de Cuadro del tipo NAXlOlO (Philips).
La sección de imagen se forma por una matriz de elementos sensores.
Un sensor CCD como el indicado tiene una región sensible con diagonal de 7,5mm. En esta región existen 294 líneas de sensores con 604 elementos cada una, lo que nos da un total de 347.904 elementos de imagen.
Recordando que en el sistema convencional de televisión cada cuadro está formado por dos campos, o sea, por las imágenes obtenidas en dos lecturas sucesivas con entrelazamiento de líneas, la imagen final tendrá el doble de elementos. Así para la norma CCIR de 576 líneas usamos dos campos de 288 líneas, quedando 6 líneas como referencia para el nivel de negro.
Observe que, con estas medidas, cada elemento de imagen ocupará un rectángulo de solamente 10 x 15,6 cm. Por estas dimensiones puede imaginar las dificultades que involucra la fabricación de un sensor de este tipo.
La uniformidad es esencial para tener un componente de calidad. Las técnicas MOS para dispositivos VLSI convierten esto en realidad.
Partiendo entonces de esta matriz de elementos sensores podemos explicar con facilidad el funcionamiento del sistema.
La luz que incide en la matriz libera pares de electrones/lagunas que son responsables por la información lógica de lectura de las etapas siguientes.
Conectado a cada línea del sensor tenemos un "shift register" que debe leer" las informaciones de cada punto de imagen.
Durante el tiempo de duración de un campo, del orden de 16 ms para un sensor según la norma, EIA, los paquetes" de cargas liberados por los sensores son integrados rápidamente.
En el periodo de borrado vertical, del orden de 1,6 ms, la información contenida en estos paquetes de cargas integrados es transferida rápidamente hacia la sección de almacenamiento a través de los shift registers.
En el periodo correspondiente al campo siguiente, el sensor capta una nueva imagen, liberando nuevas cargas que también son integrados rápidamente.
Llegando el período de borrado vertical siguiente, al mismo tiempo que la información correspondiente a este campo es llevada al sector de almacenamiento, la que ya se encuentra almacenada es leída y transmitida ai circuito externo, esta vez durante el período de borrado horizontal.
En cada ciclo de borrado horizontal la información contenida en la sección de almacenamiento es movida una línea hacia abajo, al mismo tiempo que la que se encuentra en el nivel interior es transferida hacia el exterior.
Es interesante observar que cada registrador de lectura almacena apenas 200 puntos de imagen de i cada línea, lo que quiere decir que tenemos 3 registradores por línea.
Este arreglo está destinado a obtener algunas ventajas importantes para el dispositivo.
La primera de estas ventajas es la obtención de una densidad horizontal de puntos de imagen mucho mayor que la que se obtendría con un simple registrador de lectura, en el cual el ancho finito de los electrodos de disparo limitan el espaciamiento horizontal mínimo entre los elementos.
Con tres shift registers el espaciamiento es efectivamente reducido en un tercio.
La segunda es que consigue una separación efectiva de los elementos de imagen dentro de cada línea, de modo que, con la sencilla utilización de filtros en forma de tiras sobre la región de imagen, se puede usar el dispositivo como sensor de imagen para TV en colores (caso del NXA1020 que ya viene con estos filtros).
En la figura 3 tenemos una vista en corte, con las regiones de imagen, almacenamiento y transferencia, parcialmente detalladas de modo de poder analizar mejor el proceso dinámico de captación y transferencia de la imagen.
El primer campo se genera cuando las fases ?2, ?3 y ?4 están en el nivel alto y ?1 está en el nivel bajo, como muestra la figura 4a. (?1 forma una barrera de potencial que separa los elementos de imagen del-primer campo. Las cargas generadas por la incidencia de luz son integradas abajo, entre los niveles ?2 y ?4, centradas en ?3.
Así, para cada elemento de imagen se extiende verticalmente 3 elementos de puerta (?1, ?2, ?3 y ?4 son las fases de los shift registers CCD).
La distribución de potencial del segundo campo, y por lo tanto, su posición relativa al primero, es dada en la figura 4b. EI segundo campo está Siempre dislocado de dos electrodos en relación al primero, con su patrón de cargas centralizado en ?1y con ?3 formando una barrera de potencial entre los elementos, proporcionando así una estructura perfectamente entrelazada para los cuadros.
En la figura 5 tenemos el proceso de transferencia de la información de las regiones sensoras hacia la región de almacenamiento.
En el instante en que ocurre la lectura del primer campo de la región de imagen, ?1 está en el nivel bajo y la carga de cada elemento está concentrada más abajo, entre ?2 y ?4. En t1, ?>2 va al nivel inferior y la carga de cada elemento estará concentrada entre ?3 y ?4.
En t2, ?1 pasa al nivel alto y los elementos de información avanzan un electrodo de puerta, pasando abajo, de ?3 a ?4 y al electrodo siguiente en t3, ?3 pasa al nivel bajo, comprimiendo los elementos de carga hacia ?4 y ?1 y en t4, ?2 pasa al nivel alto, permitiendo que los elementos de carga avancen hacia un nuevo electrodo de puerta.
Este proceso continúa tanto en la región de imagen como de almacenamiento, hasta que todos los paquetes de carga sean transferidos hacia la región de almacenamiento.
La región de almacenamiento es leída línea por línea, mientras ocurre la integración en la región de imagen. Durante sucesivos períodos de borrado horizontal, los registros de desplazamiento (shift registers) verticales de la región de almacenamiento avanzan los paquetes de carga de una línea de tal forma que, en el final del período de borrado, la línea siguiente está lista para ser transferida a los registros de lectura horizontal a través de 3 puertas de transferencia.
Los registros de lectura están provistos de una etapa de salida elemento.
En la figura 6 tenemos la secuencia de impulsos de excitación y la numeración de las líneas para la transferencia de campo en los NXA1010 y NXA1020 (PALL/CC-lR).
Para poder mostrar ambos campos en la misma figura, el segundo campo es colocado por debajo del primero, con la numeración apropiada de líneas encima. Como muestra la figura, el proceso de transferencia ocupa alrededor de 30% del con una sensibilidad de 3,5% del tiempo de apagamiento vertical de la norma de TV.
Las líneas en CCD utilizadas para los shift registers son diferenciadas en la figura por estar "rayadas" y por la letra V superpuesta.
El tiempo de lectura del primer campo va desde la linea 23 hasta 310 y para el segundo campo de la línea 335 a 623. Las líneas 624 hasta 3, y de la 311 hasta la 314 son extraídas, pero no transmitidas. Las líneas 314 y 2 sirven para nivel de referencia de negro y las líneas 312, 624 y 625 están reservadas para la realización de pruebas en el sensor durante el proceso de fabricación.
En la figura 7 tenemos la estructura del circuito de control para la excitación de los sensores de transferencia de cuadro.
Se usa un generador de impulsos SAA1043, en el caso del NXA1010 y NXA1020, que proporciona los impulsos para las tres normas de TV (PAL, SECAM y NTSC) y que incluye borrado vertical, horizontal y la fijación del nivel de negro. Este circuito también proporciona otras señales para el funcionamiento de una cámara de TV y puede ser disparado externamente para funcionar como un VCR o computador.
El generador de impulsos de sincronismo excita un generador patrón de impulsos (en el caso del NXA 1010/1020, se usa un SAD1007), que proporciona todas las señales de clock, excepto los impulsos para los shift registers de lectura horizontal.
Los impulsos rápidos de clock para los tres registros de lectura horizontal son generados por un oscilador de elementos de imagen, o sea, un oscilador de onda cuadrada (TDA 4302) que entrega tres trenes de impulsos en la frecuencia de 3,9MHz, con una diferencia de fase de 120 grados cada una.
Los niveles de salida del generador de impulsos patrón y del oscilador de elementos de imagen son muy débiles para excitar directamente los shift registers. Son necesarios entonces circuitos integrados adicionales para reforzar ambas señales. Para el oscilador usamos un TDA4305 y para el generador de impulsos patrón los integrados TDA4301. (Driver horizontal y vertical respectivamente).
Durante el borrado horizontal, el oscilador de elementos de imagen está inhibido y los impulsos más débiles obtenidos del generador patrón son aplicados a la salida del oscilador de elementos de imagen, y por lo tanto a través del TDA4305, a las puertas de transferencia y a los electrodos de puerta para distribuir los paquetes de cargas entre los tres registradores de salida horizontal. La polarización del CC viene de un TDA4304 o bien de componentes discretos.
Una cámara económica monocromática con el NXA1011/1031
Usando sensores sub-patrón, Philips colocó en el mercado europeo una económica cámara de TV monocromática que puede adquirirse en forma de kit
Para hacer más barata esta cámara se adoptaron algunas soluciones interesantes.
Los defectos en el sensor de imagen pueden tener como resultado manchas en la imagen o puntos. Si el defecto fuera una línea o columna tendremos franjas verticales u horizontales que tanto pueden ser blancas, como negras. Mientras tanto, los sensores poseen tres salidas de lectura que permiten un procesamiento de señal capaz de reducir los efectos de estos defectos.
Para los sensores con patrón EIA ó CCIR, con 200 elementos de imagen por shift register de lectura, una frecuencia de clock de 3,8 MHz es necesaria para la lectura de los elementos en un período de 52 us, que corresponde a una línea. Esto significa, por el teorema de Nyquist, que al máximo ancho de banda por canal es de 1,9 MHz.
Para obtener una resolución máxima de este sensor, las señales de los tres canales deben ser mostrados secuencialmente por multiplexación en una frecuencia de 11,4MHz (3x3,8MHz). El ancho de banda máximo de la señal multiplexada es entonces de 5,7MHz, correspondiendo a 610 6 604 puntos de imagen por línea.
En esta especie de procesamiento, los tres canales deben ser ajustados para obtener componentes de clock de 3,8MHz.
Si no necesitamos una resolución elevada, podemos usar apenas uno de los canales de salida del sensor, excluyendo los canales que poseen defectos (figura 8).
Así, el único procesamiento de señal necesario es un filtro pasa-bajos para limitar la banda de frecuencias en el valor de Nyquist de un canal, o sea, 1,9 MHz correspondiendo a 200 píxels por línea. De esta forma, partiendo de sensores sub-patrón que normalmente posean apenas una o dos columnas defectuosas, podemos emplear esta técnica y conseguir cámaras de bajo costo.
Otra solución, efectiva y posible, es usar las señales de los tres canales con un display especial y un circuito multiplex. Las señales son combinadas en un circuito de carga común, con transistores, como muestra la figura 9.
Las bases de los transistores PNP son conectadas a las salidas del sensor y los emisores son puestos a tierra. Cuando la tensión de base de un transistor cae por debajo de la tensión de emisor, el transistor conmuta.
Como vimos por las formas de onda, la tensión de salida tiene su valor más bajo cuando se está leyendo un punto de imagen. En la mayor parte de este período las otras dos salidas están con potencial alto, de modo que el circuito combina automáticamente los puntos de imagen de los tres canales secuencialmente.
Cuando dos canales están activos simultáneamente, los contenidos de dos elementos de imagen adyacentes son analizados y se obtiene una media de modo que proporciona una resolución bastante buena. Con esto, los efectos de un elemento de imagen defectuoso son reducidos por la presencia de señales que compensen su influencia.
Si un sensor tuviera una columna con defecto, la señal de error estará cerca del límite superior del espectro de 3,8MHz. Por el filtrado a través de un pasa-bajos, alrededor de 2,7MHz, valor suficientemente bajo de la señal perturbadora, la influencia del elemento de imagen defectuoso es reducida obteniéndose una imagen aceptable.
Pormenores de la cámara
En la figura 10 tenemos el circuito de la cámara completo, propuesta para los sensores NXA1011 y NXA1O31 de Philips.
El oscilador principal de clock opera en 22,5MHz, para el patrón CClR, o 22,657339MHz, para el patrón ElA. Esta frecuencia es dividida por 9 en ICB de modo de proveer el pulso de clock para el sincronismo (IC4), el cual, a su vez, proporciona las señales de sincronismo para el sensor de imagen.
El pulso de sincronismo también sirve para controlar el patrón multinorma ICS. EI generador de patrón multinorma SADl019 fue desarrollado especialmente para operar con estos Sensores de Transferencia de Cuadro, generando los pulsos de clock, excepto los de lectura.
Los niveles de salida de este generador son demasiado pequeños para excitar los shift registers directamente, de modo que son usados los integrados lC6 e lC7 como drivers.
Los pulsos rápidos para la lectura de las líneas son derivados del clock principal. La frecuencia del clock es dividida por 6 en un HC175 (lC8) y usada para proporcionar tres señales de clock de 3,8MHz desfasados de 120 grados (3,75 MHz en la práctica).
Los pulsos son aplicados al sensor via: IC9 en un multiplexador y un driver horizontal (IC10). El generador multinorma también es conectado al multiplexador, de modo que los pulsos de transporte normales puedan ser retirados del sensor durante el borrado o y los pulsos de lectura durante los periodos activos de las líneas.
Las tres salidas de los sensores son combinadas usando transistores discretos. El resultado es una serial de imagen invertida, que es entonces amplificada y después pasa por un filtro pasa-bajos para reducir los efectos de eventuales defectos en el sensor.
El filtro en cuestión tiene una frecuencia de corte de 2,7 MHz, pero para que haya un corte hasta 3,75 MHz tenemos un filtro adicional de 3,75 MHz, formado por L1 y C61. En la figura 11 tenemos la curva de este filtro.
Después de filtrada, la señal es llevada a un amplificador maestro de diversas etapas que también provee el nivel de corte para el negro y el AGC en una banda de 11125 (TDA4306 lC11). La tensión de AGC es derivada de la serial de video de salida. La etapa final tiene una impedancia de 75Q de salida, con la adición de pulsos de sincronismo y borrado para formar asi una serial patrón de video.
Construcción
La cámara comprende cuatro placas de circuito impreso dispuestas de odo de formar una caja con dos lados abiertos.
Las funciones de estas placas son:
Sensor
Temporizador y driver
Procesamiento de la señal
Fuente de alimentación
Excepto la placa del sensor, todas las demás emplean la técnica SMD, con el lado cobreado hacia afuera. Todos los otros componentes son instalados dentro de la caja. Se proveen seis orificios en el sensor para permitir la fijación de diversos tipos de lentes.
Las interconexiones de las placas pueden hacerse con alambres simples, cintas o zócalos y adaptadores DIL.
Conclusión
Por el momento, como suele suceder, los componentes para el montaje de esta cámara no están todavía disponibles en nuestro país (ni, que sepamos, en el resto de Latino-América). Sin embargo, como ya dijimos, el kit puede ser importado en escala industrial directamente de Holanda. (Artículo de 1989)
Los propios sensores de imagen (CCDs). El kit de la cámara de video que se vende en Europa ya viene montado (pues la tecnología usada es la de montaje en superficie SMD) y no viene con gabinete, fuente de alimentación, ni lentes.
Esperamos, entonces, que en un futuro no muy lejano lleguen estos materiales a estas costas, y podamos brindar a nuestros lectores la oportunidad de armar su propia cámara de video.
Referencias:
Designers guide for inexpensive monocnrone CCD TV câmera Philips Components
CCD Monochrome Imaging Modules (tupes 56470 to 56475) - Philips Components
Electronic Components – Preferred Type Range Catalogue – 1988 Philips
