【經管勵志】cmos圖像傳感器的基本原理及設計(doc19)(編輯修改稿)
2025-06-12 17:58 本頁面
【文章內容簡介】 電路，這種傳感器被稱為 PPS。 PPS 的結構很簡單，它具有高填充系數。各像元沒有很多的多晶硅層覆蓋，其量子效率很高，但是 PPS 的讀取干擾很高，只適應于小陣列傳感器。 在 CMOSAPS中每一像素內都有自己的放大器。 CMOSAPS的填充系數比 CMOSPPS的小，集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了 “ 封裝密度 ” ，使 40％～ 中國最龐大的下載資料庫 (整理 . 版權歸原作者所有 ) 如果您不是在 網站下載此資料的 , 不要隨意相信 . 請訪問 3722, 加入 必要時 可將此文 件 解密 50％的入射光被反射。這種傳感器的另一個問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實現(xiàn)。由于 CMOSAPS 像素內的每個放大器僅在此讀出期間被 激發(fā)，所以 CMOSAPS 的功耗比 CCD 圖像傳感器的還小。與 CMOSPPS相比， CMOS－ APS的填充系數較小，其設計填充系數典型值為 20％～ 30％，接近內線轉換 CCD 的值。 5． 2． 1 光敏二極管 CMOSAPS（ PDCMOSAPS）的像素結構 1968 年， Noble 描述了 PDCMOSAPS。后來，這種像素結構有所改進。 PDCMOSAPS的像素結構如圖 2 所示。 高性能 CMOS APS 由美國哥倫比亞大學電子工程系和噴氣推進實驗室（ JPL）在1994 年首次研制成功，像素數為 128128 ，像素尺寸為 40μm40μm ，管芯尺寸為 ，采用 阱工藝試制，動態(tài)范圍為 72dB,固定圖形噪聲小于％飽和信號水平。固定圖形噪聲小于 ％飽和信號水平。 1997 年日本東芝公司研制成功了 640480 像素光敏二極管型 CMOS APS，其像素尺寸為 , 具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。 2021 年美國 Foveon 公司與美國國家半導體公司采用 工藝研制成功 40964096 像素 CMOS APS[10]，像素尺寸為 5μm5μm ，管芯尺寸為 22mm22mm ，這是迄今為止世界上集成度最高、分辨率最高的 CMOS 固體攝像器件。有關 CMOS APS 的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀及其應用，筆者已作過詳細介紹 [6]～ [8]。 因為光敏面沒有多晶硅疊層， PDCMOSAPS 的量子效率較高，它的讀出噪聲由復位噪聲限制，典型值為 75 均方根電 子～ 100 均方根電子。 PDCMOSAPS 的每個像素采用 3 個晶體管，典型的像元間距為 15μm 。 PDCMOSAPS 適宜于大多數低性能應用。 中國最龐大的下載資料庫 (整理 . 版權歸原作者所有 ) 如果您不是在 網站下載此資料的 , 不要隨意相信 . 請訪問 3722, 加入 必要時 可將此文 件 解密 5． 2． 2 光柵型 CMOS APS(PGCMOSAPS)的像素結構 1993 年由 JPL 最早研制成功 PGCMOSAPS 并用于高性能科學成像的低光照明成像。PGCMOSAPS 結合了 CCD 和 X Y 尋址的優(yōu)點，其結構如圖 3 所示。 光柵信號電荷積分在光柵（ PG）下，浮置擴散點（ A）復位（電壓為 VDD），然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號電荷轉移到擴散點，復位電壓水平與信號電壓水平之差就是傳感器的輸出信號。 當采用雙層多晶硅工藝時， PG 與轉移柵（ TX）之間要恰當交疊。在光柵與轉移柵之間插入擴散橋，可以采用單層多晶硅工藝，這種擴散橋要引起大約 100 個電子的拖影。 光柵型 CMOS APS 每個像素采用 5 個晶體管，典型的像素間距為 20μ m（最小特征尺寸）。采用 工藝將允許達到 5μm 的像素間距。浮置擴散電容的典型值為 10－ 14F 量級，產生 20μV/e 的增益，讀出噪聲一般為 10 均方根電子～ 20 均方根電子，已有讀出噪聲為 5 均方根電子的報道。 CMOS 圖像傳感器的設計分為兩大部分，即電路設計和工藝設計， CMOS 圖像傳感器的性能好壞，不僅與材料、工藝有關，更重要的是取決于電路設計和工藝流程以及工藝參數設計。這對設計人員提出更高的要求，設計人員面要寬，在設計中，不但要懂電路、工藝、系統(tǒng)方面的知識，還要有較深的理論知識。這個時 代對設計者來說是一個令人興奮和充滿挑戰(zhàn)的時代。計算機輔助設計技術為設計者提供了極大的方便，但圖像系統(tǒng)的用途以及目標用戶的范圍由制造商決定。如果用戶裝有 Windows95 的系統(tǒng)，那么就要確定圖像系統(tǒng)不是 Windows98 的。如果你只是為了獲取并存儲大量的低分辨率圖像，那就不 中國最龐大的下載資料庫 (整理 . 版權歸原作者所有 ) 如果您不是在 網站下載此資料的 , 不要隨意相信 . 請訪問 3722, 加入 必要時 可將此文 件 解密 要選擇一個能夠提供優(yōu)質圖像但同時會產生更多數據以致于無法存儲的高分辨率圖像傳感器?，F(xiàn)在還存在許多非標準的接口系統(tǒng)?，F(xiàn)在僅供數字相機所使用可裝卸存儲介質就包括 PCMCIA 卡、東芝（ Toshiba）的速閃存儲器及軟磁盤。重要的是，要根據產品未來所在的工作環(huán)境，對樣品進行細致的性能評估。 5． 3CCD 和 CMOS 系統(tǒng)的設計 CCD 圖像傳感器和 CMOS 圖像傳感器在設計上各不相同，對于 CCD 圖像傳感器，不能在同一芯片上集成所需的功能電路。因此，在設計時，除設計光敏感部分（即 CCD 圖像傳感器）外，還要考慮設計提供信號和圖像處理的功能電路，即信號讀出和處理電路，這些電路需要在另外的基片上制備好后才能組裝在 CCD 圖像傳感器的外圍；而 CMOS 圖像傳感器則不同，特別是 CMOS APS 可以將所有的功能電路與光敏感部分（光電二極管）同時集成在同一基片上，制作成 高度集成化的單芯片攝像系統(tǒng)。與前者相比，成本低、制備容易、體積小、微型化、功耗低，雖然開始有人認為光照靈敏度不如 CCD 圖像傳感器的高，并且暗電流和噪聲比較大，近來由于改進了電路設計，采用亞微米和深亞微米光刻技術，使 CMOS 圖像傳感器的性能得到改善。已經具備與 CCD 圖像傳感器進行競爭的條件， 21 世紀， CMOS 攝像器件將成為信息獲取與處理領域的佼佼者。到那時，單芯片攝像機和單芯片數碼相機將進入千家萬戶。這些都得益于 CMOS APS 為人們提供了高度集成化的系統(tǒng)，如圖 4
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