Uma câmera de televisão do tamanho de um maço de cigarros! Sim, isso é possível graças a dois avanços importantes da tecnologia eletrônica: a utilização dos componentes miniaturizados em montagens SMD e o uso dos sensores de imagem de estado sólido (CCDs). Estes sensores, que substituem os tubos das câmeras convencionais de TV, frágeis, pesados e consumidores de muita energia, são o assunto central deste artigo. Nele falaremos do princípio de funcionamento, limitações e possibilidades, além da aplicação prática numa câmera de TV totalmente de estado sólido que pode ser adquirida na forma de kit na Europa. (*)
Que, um dia, novas técnicas fariam desaparecer os tubos convencionais das câmeras de TV, na certa muitos leitores já esperavam.
Talvez o que muitos não saibam é que este dia já chegou e que hoje os sensores de imagem de estado sólido já são uma realidade.
Muito mais leves, baratos e com consumo muito baixo de energia, estes dispositivos nos levam a maravilhas da eletrônica como uma câmera de TV completa, menor que um maço de cigarros.
Os sensores de estado sólido, ou Sensores de Transferência de Quadro CCD, já são uma realidade, com aplicação direta em câmeras de TV de uso tanto amador como profissional, havendo inclusive sua disponibilidade em kits completos na Europa.
Como funcionam estes sensores de estado sólido e as próprias câmeras que eles equipam é o assunto deste artigo, totalmente baseado em material fornecido pela Philips.
Fabricando diversos tipos de sensores e inclusive câmeras, a Philips se destaca neste setor com uma tecnologia de ponta que os leitores precisam conhecer.
O SENSOR DE TRANSFERÊNCIA DE QUADRO
Em estrutura, um Sensor de Transferência de Quadro totalmente de estado sólido se assemelha ao olho facetado de um inseto, onde milhares de sensores individuais percebem os pontos de luz que são processados pelo "cérebro" do inseto formando assim a imagem completa.
No caso de um Sensor de Transferência de Quadro, como o NXA1010 da Philips, numa pastilha de apenas 7,5mm de diagonal, que corresponde a um quadro de uma câmera de super-8, temos 347 904 sensores que captam cada ponto de uma imagem, resultando assim numa resolução excelente na reprodução.
A pastilha de material semicondutor é montada num invólucro convencional de circuito integrado DIL, com uma janela transparente para poder receber a projeção da imagem a ser captada.
Dependendo da aplicação, sistemas diversos de lentes e filtros podem ser agregados.
Como o sinal obtido na saída do sensor já passa por certo processamento, os elementos externos necessários para a formação de uma câmera completa podem ocupar um espaço muito pequeno.
Com a utilização da técnica de montagem SMD (Surface Mounting Devices), podemos elaborar câmeras menores que um maço de cigarros.
COMO FUNCIONA 0 SENSOR
Para melhor entender como funciona este sensor, será interessante darmos uma olhada "por dentro" do equivalente tradicional, a "velha" câmera de TV, cuja estrutura é mostrada na figura 1.
A imagem é projetada num elemento ou placa sensível que libera cargas elétricas nos pontos de luz.
Um feixe de varredura permite captar as cargas liberadas. Varrendo a imagem completa, linha por linha e ponto por ponto, obtemos na saída um sinal de vídeo com a informação na forma serial.
Cada imagem é separada em linhas e cada linha em pontos ou elementos de imagem (pixels).
Na figura 2 temos a estrutura simplificada de um Sensor de Transferência de Quadro do tipo NAX101O (Philips).
A seção de imagem é formada por uma matriz de elementos sensores.
Um sensor CCD como o indicado tem uma região sensível com diagonal de 7,5mm. Nesta região existem 294 linhas de sensores com 604 elementos cada uma, o que nos dá um total de 347 904 elementos de imagem ou pixels.
Lembrando que no sistema convencional de televisão cada quadro é formado por dois campos, ou seja, pelas imagens obtidas em duas leituras sucessivas com entrelaçamento das linhas, a imagem final terá o dobro de elementos.
Assim, para a norma CCIR de 576 linhas usamos dois campos de 288 linhas, ficando 6 linhas como referência para o nível de negro.
Observe que, com estas medidas, cada elemento de imagem ocupará um retângulo de apenas10 x15,6 um!
Por estas dimensões você pode imaginar as dificuldades que envolvem a fabricação de um sensor deste tipo.
A uniformidade é essencial para termos um componente de qualidade. No entanto, as técnicas MOS para dispositivos VLSI tornam isso uma realidade.
Partindo então desta matriz de elementos sensores podemos explicar com facilidade o funcionamento do sistema.
A luz que incide na matriz libera pares de elétrons/lacunas que são responsáveis pela informação lógica de leitura das etapas seguintes.
Ligado a cada linha do sensor temos um shift-register que deve "ler" as informações de cada ponto de imagem.
Durante o tempo de duração de um campo, da ordem de 16ms para um sensor segundo a norma EIA, os pacotes de cargas liberados pelos sensores são integrados rapidamente.
No período de apagamento vertical, da ordem de 1,6 ms, a informação contida nestes pacotes de cargas integrados é transferida rapidamente para a seção de armazenamento através dos shift-registers.
No período correspondente ao campo seguinte, uma nova imagem e captada pelo sensor, liberando novas cargas que também são integradas rapidamente.
Chegando o período de apagamento vertical seguinte, ao mesmo tempo em que a informação correspondente a este campo é levada ao setor de armazenamento, a que já se encontra armazenada é lida e transmitida ao circuito externo, desta vez durante o período de apagamento horizontal.
Em cada ciclo de apagamento horizontal a informação contida na seção de armazenamento é movida uma linha para baixo, ao mesmo tempo em que a que se encontra no nível mais inferior é transferida para o exterior.
É interessante observar que cada registrador de leitura armazena apenas 200 pixels de cada linha, o que quer dizer que temos 3 registradores por linha.
Este arranjo visa obter algumas vantagens importantes para o dispositivo.
A primeira destas vantagens é a obtenção de uma densidade horizontal de pixels muito maior do que a que seria obtida com um simples registrador de leitura, no qual a largura finita dos eletrodos de disparo limitam o espaçamento horizontal mínimo entre os elementos.
Com três shift-registers o espaçamento é efetivamente reduzido em um terço.
A segunda é que se consegue uma separação efetiva dos elementos de imagem dentro de cada linha, de modo que, com a simples utilização de filtros em forma de tiras sobre a região de imagem, se pode usar o dispositivo como sensor de imagem para TV a cores (caso do NXA1020 que já vem com estes filtros).
Na figura 3 temos uma vista em corte, com as regiões de imagem, armazenamento e transferência, parcialmente detalhadas de modo a podermos analisar melhor o processo dinâmico de captação e transferência da imagem
O primeiro campo é gerado quando as fases φ2, φ3, e φ4 estão no nível alto e φ1 está no nível baixo, conforme mostra a figura 4a. (φ1 forma uma barreira de potencial que separa os elementos de imagem do primeiro campo.
As cargas geradas pela incidência de luz são integradas abaixo, entre os níveis φ2 e φ, centradas em ?3.
Assim, para cada elemento de imagem se estende verticalmente 3 elementos de porta (φ1, φ2, φ3 e φ4 são as fases dos shift-registers CCD).
A distribuição de potencial do segundo campo e, portanto, sua posição relativa ao primeiro, é dada na figura 4b.
O segundo campo está sempre deslocado de dois eletrodos em relação ao primeiro, com seu padrão de cargas centralizado em φ1 e com φ3 formando uma barreira de potencial entre os elementos, proporcionando assim uma estrutura perfeitamente entrelaçada para os quadros.
Na figura 5 temos o processo de transferência da informação das regiões sensoras para a região de armazenamento.
No instante em que ocorre a leitura do primeiro campo da região de imagem, φ1 está no nível baixo e a carga de cada elemento está concentrada mais abaixo, entre φ2 e φ4.
Em t2, φ1 vai ao nível baixo e a carga de cada elemento estará concentrada entre φ3 e φ4. Em t2, φ1 passa ao nível alto e os elementos de informação avançam um eletrodo de porta, passando para baixo, de φ3 a φ4 e ao eletrodo φ1 seguinte.
Em t3, φ3 passa ao nível baixo, comprimindo os elementos de carga para φ4 e φ1 e em t4, φ2 passa ao nível alto, permitindo que os elementos de carga avancem para um novo eletrodo de porta.
Este processo continua tanto na região de imagem como de armazenamento, até que todos os pacotes de carga sejam transferidos para a região de armazenamento.
A região de armazenamento é lida linha por linha, enquanto ocorre a integração na região de imagem.
Durante sucessivos períodos de apagamento horizontal, os registros de deslocamento (shift-registers) verticais da região de armazenamento avançam os pacotes de carga de uma linha de tal forma que, no final do período de apagamento, a linha seguinte está pronta para ser transferida aos registros de leitura horizontal através de 3 portas de transferência.
Os registros de leitura estão providos de uma etapa de saída com uma sensibilidade de 3,5 uV por elétron.
Na figura 6 temos a sequência de impulsos de excitação e a numeração das linhas para a transferência de campo nos NXA101O e NXA1020 (PAL/CCIR).
Para poder mostrar ambos os campos na mesma figura, o segundo campo é colocado por baixo do primeiro, com a numeração apropriada de linhas acima.
Como mostra a figura, o processo de transferência ocupa em torno de 30% do tempo de apagamento vertical da norma de TV.
As linhas em CCD utilizadas para os shift-registers são diferenciadas na figura por estarem raiadas e pela letra V acima.
O tempo de leitura do primeiro campo vai desde a linha 23 até 310 e para o segundo campo da linha 335 a 623..
As linhas 624 até 3, e da 311 até a 314 são extraídas, mas não transmitidas.
As linhas 314 e 2 servem como nível de referência de negro e as linhas 312, 624 e 625 estão reservadas para a realização de provas no sensor durante o processo de fabricação.
Na figura 7 temos a estrutura do circuito de controle para a excitação dos sensores de Transferência de Quadro.
É utilizado um gerador de impulsos SAA1043, no caso do NXA101O e NXA1020, que proporciona os impulsos para as três normas de TV (PAL SECAM e NTSC), e que inclui apagamento vertical, horizontal e a fixação do nível de negro.
Este circuito também proporciona outros sinais para o funcionamento de uma câmera de TV e pode ser disparado externamente para funcionar com um VCR ou computador.
O gerador de impulsos de sincronismo excita um gerador padrão de impulsos (no caso do NXA1010/1020,é usado um SAD1007), que proporciona todos os sinais de cIock, exceto os impulsos para os shift-registers de leitura horizontal.
Os impulsos rápidos de cIock para os três registros de leitura horizontal são gerados por um oscilador de elementos de imagem, ou seja, um oscilador de onda quadrada (TDA4302) que entrega três trens de impulsos na frequência de 3,9 MHz, com uma diferença de fase de 120 graus.
Os níveis de saída do gerador de impulsos padrão e do oscilador de elementos de imagem são muito fracos para excitar diretamente os shift-registers.
São necessários então circuitos integrados adicionais para reforçar ambos os sinais.
Para o oscilador usamos um TDA4305 e para o gerador de impulsos padrão os integrados TDA4301.
Durante o apagamento horizontal, o oscilador de elementos de imagem está inibido e os impulsos mais fracos obtidos do gerador padrão de impulsos são aplicados à saída do oscilador de elementos de imagem e, portanto, através do TDA4305, às portas de transferência e aos eletrodos de porta para distribuir os pacotes de cargas entre os três registradores de saída horizontal.
A polarização do CC vem de. um TDA4304 ou então de componentes discretos.
UMA CÂMERA ECONÔMICA MONOCROMATICA COM O NXA1011I1031
Usando sensores sub-padrão, a Philips colocou no mercado europeu uma econômica câmera de TV monocromática que pode ser obtida na forma de kit por preço em torno de US$ 300,00. (*)
(*) Hoje estas câmeras podem ser obtidas a preços até 30 vezes menores.
Para baratear esta câmera algumas soluções interessantes foram adotadas.
Defeitos no sensor de imagem podem resultar em manchas na imagem ou pontos.
Se o defeito for numa linha ou coluna teremos listas verticais ou horizontais que tanto podem ser brancas como negras.
No entanto, os sensores possuem três saídas de leitura que permitem um processamento de sinal capaz de reduzir os efeitos desses defeitos.
Para os sensores com padrão EIA ou CCIR, com 200 elementos de imagem por shift-register de leitura, uma frequência de clock de 3,8MHz é necessária para a leitura dos elementos num período de 52 us, que corresponde a uma linha.
Isso significa, pelo Teorema de Nyquist, que a máxima largura de faixa por canal é de1,9 MHz.
Para obter uma resolução máxima deste sensor, os sinais dos três canais devem ser amostrados seqüencialmente por multiplexação numa frequêncía de 11,4 MHz (3 x 3,8 MHz).
A largura máxima de banda do sinal multiplexado é então de 5,7 MHz, correspondendo a 610 ou 604 pixels por linha.
Nesta espécie de processamento, os três canais devem ser casados para se obter componentes de clock de 3,8 MHz.
Se não necessitamos de uma resolução elevada, podemos utilizar apenas um dos canais de saída do sensor, excluindo os canais que possuam defeitos (figura 8).
Assim, o único processamento de sinal necessário é um filtro passa-baixas para limitar a faixa de frequências no valor de Nyquist de um canal, ou seja, 1,9 MHz correspondendo a 200 pixels por linha.
Desta forma, partindo de sensores sub-padrão que normalmente possuam apenas uma ou duas colunas defeituosas, podemos empregar esta técnica e conseguir câmeras de baixo custo.
Outra solução efetiva é possível utilizando-se os sinais dos três canais com uma amostragem especial e um circuito multiplex.
Os sinais são combinados num circuito de carga comum, com transistores, conforme mostra a figura 9.
As bases dos transistores PNP são ligadas às saídas do sensor e os emissores são aterrados.
Quando a tensão de base de um transistor cai abaixo da tensão de emissor, o transistor comuta. Conforme vimos pelas formas de onda, a tensão de saída tem seu valor mais baixo quando um pixel está sendo lido.
Na maior parte deste período as outras duas saídas estão com potencial alto, de modo que o circuito combina automaticamente os pixels dos três canais sequencialmente.
Quando dois canais estão ativos simultaneamente, os conteúdos de dois pixels adjacentes são analisados e uma média é obtida de modo a proporcionar uma resolução bastante boa.
Com isso, os efeitos de um pixel defeituoso são reduzidos pela presença de sinais que compensem sua influência.
Se um sensor tiver uma coluna com defeito, o sinal de erro estará perto do limite superior do espectro de 3,8 MHz.
Pela filtragem através de um passa-baixas, em torno de 2,7 MHz, valor suficientemente abaixo do sinal perturbador, a influência do pixel defeituoso é reduzida obtendo-se uma imagem aceitável.
PORMENORES DA CÂMERA
Na figura 10 temos o circuito da câmera completo, proposta para os sensores NXA1011 e NXA1031 da PhiIips.
O oscilador principal de clock opera em 22,5 MHz, para o padrão CCIR, ou 22,657339 MHz, para o padrão EIA.
Esta frequência é dividida por 9 em IC3 de modo a fornecer o pulso de clock para o sincronismo (IC4), o qual, por sua vez, fornece os sinais de sincronismo para o sensor de imagem.
O pulso de sincronismo também serve para controlar o padrão multinorma IC5.
O gerador de padrão multinorma SAD1019 foi desenvolvido especialmente para operar com estes Sensores de Transferência de Quadro, gerando os pulsos de clock, exceto os de leitura.
Os níveis de saída deste gerador são pequenos demais para excitar os shift-registers diretamente, de modo que são usados os integrados IC6 e IC7 como drivers.
Os pulsos rápidos para a leitura das linhas são derivados do clock principal.
A frequência do clock é dividida por 6 num HC175 (IC8) e usada para fornecer três sinais de clock de 3,8 MHz defasados de 120 graus (3,75 MHz na prática).
Os pulsos são aplicados ao sensor via IC9 num multiplexador e um driver horizontal (IC10).
O gerador multinorma também é conectado ao multiplexador, de modo que os pulsos de transporte normais possam ser retirados do sensor durante o apagamento e os pulsos de leitura durante os períodos ativos das linhas.
As três saídas dos sensores são combinadas usando transistores discretos.
O resultado é um sinal de imagem invertido, que é então amplificado e depois passa por um filtro passa-baixas para reduzir os efeitos de eventuais defeitos no sensor.
O filtro em questão tem uma frequência de corte de 2,7MH2, mas para haver um corte até 3,75 MHz temos um filtro adicional de 3,75MH2, formado por L1 e C61. Na figura 11 temos a curva deste filtro.
Depois de filtrado, o sinal é levado a um amplificador mestre de diversos estágios que também fornece o nível de corte para o negro e o AGC numa faixa de 1:125 (TDA4306 - IC11).
A tensão de AGC é derivada do sinal de vídeo de saída.
O estágio final tem uma impedância de 75 ohms de saída, com a adição de pulsos de sincronismo e apagamento para formar assim um sinaI padrão de vídeo.
CONSTRUÇÃO
A câmera compreende quatro placas de circuito impresso arranjadas de modo a formar uma caixa com dois lados abertos.
As funções destas placas são:
- Sensor
- Temporizador e driver
- Processamento do sinal
- Fonte de alimentação
Exceto a placa do sensor, todas as demais empregam a técnica SMD, com o lado cobreado para fora.
Todos os outros componentes são instalados dentro da caixa.
Seis furos são fornecidos no sensor para permitir a fixação de diversos tipos de lentes.
As interligações das placas podem ser feitas com fios simples, fitas ou soquetes e adaptadores DIL.
CONCLUSÃO
No momento, os componentes para a montagem desta câmera não estão disponíveis no Brasil.
Entretanto, co mo já dissemos, o kit pode ser importado em escala industrial diretamente da Holanda a um custo aproximado de US$ 300,00 (FOB) a unidade. (*)
(*) O artigo é de 1988. Hoje temos soluções muito baratas para este tipo de projeto.
Os próprios sensores de imagem (CCDs) podem ser importados por cerca de US$ 30,00 (FOB), lembrando que para grandes quantidades o preço cai significativamente.
O kit da câmera de vídeo encontrado na Europa já vem montado (pois a tecnologia utilizada é a de montagem em superfície - SMD) e não é acompanhado de gabinete, fonte de alimentação e nem das lentes.
Referências:
Designer's guide for inexpensíve monochrone CCD TV camera - Phílips Components
CCD Monochrome lmaging Modules (lypes 564 70 to 56475) - Phílips Components
Electronic Components - Preferred Type Range Catalogue - 1988 – Phílips
