【正文】 此資料來(lái)自企業(yè) 2基本原理 從某一方面來(lái)說(shuō)， 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(hào)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。由于制造工藝的限制，早先的 CMOS圖像傳感器無(wú)法將放大 器放在像素位置以?xún)?nèi)。 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。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(cè)試到的讀出噪聲只有 1均方根電子。 因?yàn)殡姾杀幌拗圃谙袼匾詢(xún)?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。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)引起固定圖像噪聲。 這種多功能的集成化，使得許多以前無(wú)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(shí)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。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(shì)阱容量的資料。 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 此資料來(lái)自企業(yè) 聲（固定圖形噪聲和讀出噪聲）、光學(xué)尺寸以及電壓的要求。 對(duì)于像保安攝像機(jī)一類(lèi)的低照度級(jí)的應(yīng)用，讀出噪聲和量子效應(yīng)最重要。 動(dòng)態(tài)范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數(shù)。信噪比主要決定于入射光的亮度級(jí)（事實(shí)上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號(hào)還要大）。而 SNRDARK得到說(shuō)明，實(shí)際上與動(dòng)態(tài)范圍沒(méi)有什么兩樣。雖然這可能很重要，但它并不能精確地描述圖像的質(zhì)量。 光學(xué)尺寸的概念的模糊，是由于傳統(tǒng)觀念而致。它的計(jì)算包括度量單位的轉(zhuǎn)換和向上舍入的方法。例如 的尺寸是 。這是因?yàn)橛行┵Y料一覽表欺騙性地使用了向下舍入的方法。所以，設(shè)計(jì)者應(yīng)該通過(guò)計(jì)算試用各種不同的圖像傳感器來(lái)得到想要的性能。不過(guò)設(shè)計(jì)者仍應(yīng)謹(jǐn)慎地布置電路板驅(qū)動(dòng)芯片。因此良好的電路板設(shè)計(jì)，接地和屏蔽就顯得非常重要。 到目前為止，已設(shè)計(jì)出高集成度單芯片 CMOS圖像 傳感器。所有的彩色矩陣處理功能都集成在芯片中。 4CMOSAPS的潛在優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法 4． 1CMOSAPS勝過(guò) CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點(diǎn) CMOS APS勝過(guò) CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點(diǎn)包括 [1]～ [5]： 1）消除了電荷反復(fù)轉(zhuǎn)移的麻煩 ，免除了在輻射條件下電荷轉(zhuǎn)移效率（ CTE）的退化和下降。 3）在集成電路芯片中可進(jìn)行信號(hào)處理，因此可提供芯跡線，模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的自調(diào)節(jié)，也能提供由電壓漂移引起的輻射調(diào)節(jié)。 2）包括動(dòng)態(tài)范圍損失的閾值漂移問(wèn)題。 4． 2CMOSAPS的設(shè)計(jì)方 法 CMOSAPS的設(shè)計(jì)方法包括： 1）為了降低暗電流而進(jìn)行研制創(chuàng)新的像素結(jié)構(gòu)。 3）研制在芯片上進(jìn)行信號(hào)處理的器件，以適應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)本身電壓 Vt 的漂移和動(dòng)態(tài)范圍的損失。 5）研制和加固耐輻射的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器。 7）研制和開(kāi)發(fā)大尺寸、全數(shù)字化、耐輻射的 CMOSAPS，以便生產(chǎn)。 9）引入當(dāng)代最高水平的組合式光學(xué)通信 /成像系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)。 5． 1CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 光電二極管型 CMOS 無(wú)源像素傳感器（ CMOSPPS）的結(jié)構(gòu)自從 1967 年 Weckler 首次提出以來(lái)實(shí)質(zhì)上一直沒(méi)有變化，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟時(shí)，光敏二極管與垂直的列線連通。當(dāng)光敏二極管存貯的信號(hào)電荷被讀出時(shí)，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，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。另外一個(gè)開(kāi)關(guān)管也可以采用，以實(shí)現(xiàn)二維的 X Y 尋址。但是，由于傳輸線電容較大， 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)。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。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。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。 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。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。 5． 2． 1光敏二極管 CMOSAPS（ PDCMOSAPS）的像素結(jié)構(gòu) 1968年， Noble描述了 PDCMOSAPS。 PDCMOSAPS的像素結(jié)構(gòu)如圖 2所示。固定圖形噪聲小于 ％飽和信號(hào)水平。 2020年美國(guó) Foveon公司與美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)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。 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適宜于大多數(shù)低性能應(yīng)用。PGCMOSAPS結(jié)合了 CCD和 X Y尋址的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖 3所示。 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。 光柵型 CMOS APS每個(gè)像素采用 5個(gè)晶體管，典型的像素間距為 20μ m（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。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)。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。如果你只是為了