【正文】 中國最龐大的下載資料庫 (整理 . 版權(quán)歸原作者所有 ) 如果您不是在 網(wǎng)站下載此資料的 , 不要隨意相信 . 請?jiān)L問 3722,CMOS 圖像傳感器的基本原理及設(shè)計(jì) 摘 要：介紹 CMOS 圖像傳感器的基本原理、 潛在優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)考慮。 關(guān)鍵詞 ：互補(bǔ)型金屬－氧化物－半導(dǎo)體圖像傳感器；無源像素傳感器；有源像素傳感器 1 引言 20 世紀(jì) 70 年代， CCD 圖像傳感器和 CMOS 圖像傳感器同時(shí)起步。 CCD 圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上，造成由 CCD 圖像傳感器組裝的攝像機(jī)體積大、功耗大。 CMOS 圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場上獨(dú)樹一幟。但最初市場上的 CMOS 圖像傳感器，一直沒有擺脫光照靈敏度低和圖像分辨 率低的缺點(diǎn)，圖像質(zhì)量還無法與 CCD 圖像傳感器相比。 如果把 CMOS 圖像傳感器的光照靈敏度再提高 5 倍～ 10 倍，把噪聲進(jìn)一步降低， CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量就可以達(dá)到或略微超過 CCD 圖像傳感器的水平，同時(shí)能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價(jià)位低等優(yōu)點(diǎn)，如此， CMOS 圖像傳感器取代 CCD 圖像傳感器就會(huì)成為事實(shí)。 由于 CMOS 圖像傳感器的應(yīng)用，新一代圖像系統(tǒng)的開發(fā)研制得到了極大的發(fā)展，并且隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的形成，其生產(chǎn)成本也得到降低?，F(xiàn)在， CMOS 圖像傳感器的畫面質(zhì)量也能與CCD 圖像傳感器相媲美 ，這主要?dú)w功于圖像傳感器芯片設(shè)計(jì)的改進(jìn)，以及亞微米和深亞微米級設(shè)計(jì)增加了像素內(nèi)部的新功能。 中國最龐大的下載資料庫 (整理 . 版權(quán)歸原作者所有 ) 如果您不是在 網(wǎng)站下載此資料的 , 不要隨意相信 . 請?jiān)L問 3722, 加入 必要時(shí) 可將此文 件 解密 實(shí)際上，更確切地說， CMOS 圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個(gè)圖像系統(tǒng)。一個(gè)典型的 CMOS 圖像傳感器通常包含：一個(gè)圖像傳感器核心（是將離散信號電平多路傳輸?shù)揭粋€(gè)單一的輸出，這與 CCD 圖像傳感器很相似），所有的時(shí)序邏輯、單一時(shí)鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時(shí)間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計(jì)者購買了 CMOS 圖像傳感器后，他得到的是一個(gè)包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲(chǔ)器、定時(shí)脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。與傳 統(tǒng)的 CCD 圖像系統(tǒng)相比，把整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價(jià)格更低的優(yōu)點(diǎn)。 2 基本原理 從某一方面來說， CMOS 圖像傳感器在每個(gè)像素位置內(nèi)都有一個(gè)放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而且也僅需要在幀速率下進(jìn)行重置。 CMOS 圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一就是它具有低的帶寬，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，早先的 CMOS 圖像傳感器無法將放大器放在像素位置以內(nèi)。這種被稱為 PPS 的技術(shù)，噪聲性能很不理想，而且還引來對 CMOS 圖像傳 感器的種種干擾。 然而今天，隨著制作工藝的提高，使在像素內(nèi)部增加復(fù)雜功能的想法成為可能?，F(xiàn)在，在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開關(guān)、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實(shí)際上，在 Conexant 公司（前 Rockwell半導(dǎo)體公司）的一臺(tái)先進(jìn)的 CMOS 攝像機(jī)所用的 CMOS 圖傳感器上，每一個(gè)像素中都設(shè)計(jì)并使用了 6 個(gè)晶體管，測試到的讀出噪聲只有 1 均方根電子。不過，隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的不斷增加，留給感光二極管的空間逐漸減少，為了避免這個(gè)比例（又稱占空因數(shù)或填充系 數(shù)）的下降，一般都使用微透鏡，這是因?yàn)槊總€(gè)像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的方向，使得本來會(huì)落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區(qū)域。 因?yàn)殡姾杀幌拗圃谙袼匾詢?nèi)，所以 CMOS 圖像傳感器的另一個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn)就是它的防光暈特性。在像素位置內(nèi)產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個(gè)縱列的緩沖區(qū)內(nèi)，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦?，因此不?huì)發(fā)生傳輸過程中的電荷損耗以及隨后產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象。它的不利因素是每個(gè)像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差別，這種不均勻性就會(huì)引起固定圖 中國最龐大的下載資料庫 (整理 . 版權(quán)歸原作者所有 ) 如果您不是在 網(wǎng)站下載此資料的 , 不要隨意相信 . 請?jiān)L問 3722, 加入 必要時(shí) 可將此文 件 解密 像噪聲。然而，隨著 CMOS 圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 和制造工藝的不斷改進(jìn)，這種效應(yīng)已經(jīng)得到顯著弱化。 這種多功能的集成化，使得許多以前無法應(yīng)用圖像技術(shù)的地方現(xiàn)在也變得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機(jī)、嵌入在顯示器和膝上型計(jì)算機(jī)顯示器中的攝像機(jī)、帶相機(jī)的移動(dòng)電路、指紋識別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學(xué)圖像上所使用的一次性照相機(jī)等，這些都已在某些設(shè)計(jì)者的考慮之中。 3 設(shè)計(jì)考慮 然而，這個(gè)行業(yè)還有一個(gè)受到普遍關(guān)注的問題，那就是測量方法，具體指標(biāo)、陣列大小和特性等方面還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。每一位工程師在比較各種資料一覽表時(shí)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在一張表上列出的是關(guān)于讀 出噪聲或信噪比的資料，而在另一張表上可能只是強(qiáng)調(diào)關(guān)于動(dòng)態(tài)范圍或最大勢阱容量的資料。因此，這就要求設(shè)計(jì)者們能夠判斷哪一個(gè)參數(shù)對他們最重要，并且盡可能充分利用多產(chǎn)品的 CMOS 圖像傳感器家族。 一些關(guān)鍵的性能參數(shù)是任何一種圖像傳感器都需要關(guān)注的，包括信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、噪聲（固定圖形噪聲和讀出噪聲）、光學(xué)尺寸以及電壓的要求。應(yīng)當(dāng)知道并用來對比的重要參數(shù)有：最大勢阱容量、各種工作狀態(tài)下的讀出噪聲、量子效率以及暗電流，至于信噪比之類的其它參數(shù)都是由那些基本量度推導(dǎo)出來的。 對于像保安攝像機(jī)一類的低照度級 的應(yīng)用，讀出噪聲和量子效應(yīng)最重要。然而對于象戶外攝影一類的中、高照度級的應(yīng)用，比較大的最大勢阱容量就顯得更為重要。 動(dòng)態(tài)范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍是最大勢阱容量與最低讀出噪聲的比值，它之所以引起誤解，是因?yàn)樽x出噪聲經(jīng)常不是在典型的運(yùn)行速度下測得的，而且暗電流散粒噪聲也常常沒有被計(jì)算在內(nèi)。信噪比主要決定于入射光的亮度級（事實(shí)上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號還要大）。 所以，信噪比應(yīng)該將所有的噪聲源都考慮在內(nèi)，有些資料一覽表中常常忽略散粒噪聲，而它恰恰是中、高信號電平 的主要噪聲來源。而