cmos圖像傳感器的基本原理及設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-26 19:21 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 荷被讀出時(shí)，其電壓被復(fù)位到列線(xiàn)電壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。 單管的PDCMOSPPS允許在給定的像素尺寸下有最高的設(shè)計(jì)填充系數(shù)，或者在給定的設(shè)計(jì)填充系數(shù)下，可以設(shè)計(jì)出最小的像素尺寸。另外一個(gè)開(kāi)關(guān)管也可以采用，以實(shí)現(xiàn)二維的XY尋址。由于填充系數(shù)高且沒(méi)有許多CCD中多晶硅疊層，CMOSPPS像素結(jié)構(gòu)的量子效率較高。但是，由于傳輸線(xiàn)電容較大，CMOSPPS讀出噪聲較高，典型值為250個(gè)均方根電子，這是致命的弱點(diǎn)。5．2CMOSAPS的像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 幾乎在CMOSPPS像素結(jié)構(gòu)發(fā)明的同時(shí)，科學(xué)家很快認(rèn)識(shí)到在像素內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能。雖然CMOS圖像傳感器的成像裝置將光子轉(zhuǎn)換為電子的方法與CCD相同，但它不是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，而是由晶體三極管作為電荷感應(yīng)放大器。在一些CMOS圖像傳感器中，每組像素的頂端有一個(gè)放大器，每個(gè)像素只有一個(gè)作為閾值電流值開(kāi)關(guān)的三極管。開(kāi)關(guān)像素中的電荷為放大器充電，其過(guò)程類(lèi)似DRAM中的讀取電路，這種傳感器被稱(chēng)為PPS。PPS的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，它具有高填充系數(shù)。各像元沒(méi)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(yīng)于小陣列傳感器。 在CMOSAPS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。CMOSAPS的填充系數(shù)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％～50％的入射光被反射。這種傳感器的另一個(gè)問(wèn)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(guò)降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實(shí)現(xiàn)。由于CMOSAPS像素內(nèi)的每個(gè)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(shù)較小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為20％～30％，接近內(nèi)線(xiàn)轉(zhuǎn)換CCD的值。5．2．1光敏二極管CMOSAPS（PDCMOSAPS）的像素結(jié)構(gòu) 1968年，Noble描述了PDCMOSAPS。后來(lái)，這種像素結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)。PDCMOSAPS的像素結(jié)構(gòu)如圖2所示。 高性能CMOSAPS由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)電子工程系和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）在1994年首次研制成功，像素?cái)?shù)為128128，像素尺寸為40μm40μm，，動(dòng)態(tài)范圍為72dB,％飽和信號(hào)水平。％飽和信號(hào)水平。1997年日本東芝公司研制成功了640480像素光敏二極管型CMOSAPS，,具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。4096像素CMOSAPS[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(guān)CMOSAPS的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用，筆者已作過(guò)詳細(xì)介紹[6]～[8]。 因?yàn)楣饷裘鏇](méi)有多晶硅疊層，PDCMOSAPS的量子效率較高，它的讀出噪聲由復(fù)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(gè)像素采用3個(gè)晶體管，典型的像元間距為15μm。PDCMOSAPS適宜于大多數(shù)低性能應(yīng)用。5．2．2光柵型CMOSAPS(PGCMOSAPS)的像素結(jié)構(gòu) 1993年由JPL最早研制成功PGCMOSAPS并用于高性能科學(xué)成像的低光照明成像。PGCMOSAPS結(jié)合了CCD和XY尋址的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 光柵信號(hào)電荷積分在光柵（PG）下，浮置擴(kuò)散點(diǎn)（A）復(fù)位（電壓為VDD），然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散點(diǎn)，復(fù)位電壓水平與信號(hào)電壓水平之差就是傳感器的輸出信號(hào)。 當(dāng)采用雙層多晶硅工藝時(shí)，PG與轉(zhuǎn)移柵（TX）之間要恰當(dāng)交疊。在光柵與轉(zhuǎn)移柵之間插入擴(kuò)散橋，可以采用單層多晶硅工藝，這種擴(kuò)散橋要引起大約100個(gè)電子的拖影。 光柵型CMOSAPS每個(gè)像素采用5個(gè)晶體管，典型的像素間距為20μm（最小特征尺寸）。浮置擴(kuò)散電容的典型值為10－14F量級(jí)，產(chǎn)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(bào)道。 CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)分為兩大部分，即電路設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，CMOS圖像傳感器的性能好壞，不僅與材料、工藝有關(guān)，更重要的是取決于電路設(shè)計(jì)和工藝流程以及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。這對(duì)設(shè)計(jì)人員提出更高的要求，設(shè)計(jì)人員面要寬，在設(shè)計(jì)中，不但要懂電路、工藝、系統(tǒng)方面的知識(shí)，還要有較深的理論知識(shí)。這個(gè)時(shí)代對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)令人興奮和充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的時(shí)代。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為設(shè)計(jì)者提供了極大的方便，但圖像系統(tǒng)的用途以及目標(biāo)用戶(hù)的范圍由制造商決定。如果用戶(hù)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(chǔ)大量的低分辨率圖像，那就不要選擇一個(gè)能夠提供優(yōu)質(zhì)圖像但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)以致于無(wú)法存儲(chǔ)的高分辨率圖像傳感器?，F(xiàn)在還存在許多非標(biāo)準(zhǔn)的接口系統(tǒng)?，F(xiàn)在僅供數(shù)字相機(jī)所使用可裝卸存儲(chǔ)介質(zhì)就包括PCMCIA卡、東芝（Toshiba）的速閃存儲(chǔ)器及軟磁盤(pán)。重要的是，要根據(jù)產(chǎn)品未來(lái)所在的工作環(huán)境，對(duì)樣品進(jìn)行細(xì)致的性能評(píng)估
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