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1、CMOS 图像传感器的基本原理及设计考虑1、引言20 世纪 70 年代，CCD 图像传感器和 CMOS 图像传感器同时起步。CCD 图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由 CCD 图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS 图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的 CMOS 图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与 CCD 图像传感器相比。如果把 CMOS 图像传感器的光照灵敏度再提高 5 倍10 倍，把噪声进一步降低，CMOS 图像传感
2、器的图像质量就可以达到或略微超过 CCD 图像传感器的水平，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点，如此，CMOS 图像传感器取代 CCD 图像传感器就会成为事实。由于 CMOS 图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展，并且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。现在，CMOS 图像传感器的画面质量也能与 CCD 图像传感器相媲美，这主要归功于图像传感器芯片设计的改进，以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。实际上，更确切地说，CMOS 图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的 CMOS 图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平
3、多路传输到一个单一的输出，这与 CCD 图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS 图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的 CCD 图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。2、基本原理从某一方面来说，CMOS 图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS 图
4、像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的 CMOS 图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为 PPS 的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对 CMOS 图像传感器的种种干扰。 然而今天，随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。实际上，在 Conexant 公司（前 Rockwell 半导体公司）的一台先进的 CMOS 摄像机所用的 CMOS 图传感器上，每一个像素中都设计并使用了 6 个晶体管，测试到
5、的读出噪声只有 1 均方根电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。因为电荷被限制在像素以内，所以 CMOS 图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪
6、声。然而，随着 CMOS 图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。3 设计考虑然而，这个行业还有一个受到普遍关注的问题，那就是测量方法，具体指标、阵列大小和特性等方面还缺乏统一的标准。每一位工程师在比较各种资料一览表时，可能会发现在一张表上列出的是关于读出噪声或信噪比的资料，而在另一张表上可能只是强调关于动态范围或
7、最大势阱容量的资料。因此，这就要求设计者们能够判断哪一个参数对他们最重要，并且尽可能充分利用多产品的 CMOS 图像传感器家族。一些关键的性能参数是任何一种图像传感器都需要关注的，包括信噪比、动态范围、噪声（固定图形噪声和读出噪声）、光学尺寸以及电压的要求。应当知道并用来对比的重要参数有：最大势阱容量、各种工作状态下的读出噪声、量子效率以及暗电流，至于信噪比之类的其它参数都是由那些基本量度推导出来的。对于像保安摄像机一类的低照度级的应用，读出噪声和量子效应最重要。然而对于象户外摄影一类的中、高照度级的应用，比较大的最大势阱容量就显得更为重要。动态范围和信噪比是最容易被误解和误用的参数。动态范围
8、是最大势阱容量与最低读出噪声的比值，它之所以引起误解，是因为读出噪声经常不是在典型的运行速度下测得的，而且暗电流散粒噪声也常常没有被计算在内。信噪比主要决定于入射光的亮度级（事实上，在亮度很低的情况下，噪声可能比信号还要大）。所以，信噪比应该将所有的噪声源都考虑在内，有些资料一览表中常常忽略散粒噪声，而它恰恰是中、高信号电平的主要噪声来源。而 SNRDARK 得到说明，实际上与动态范围没有什么两样。数字信噪比或数字动态范围是另一个容易引起混淆的概念，它表明的只是模拟/数字（A/D ）转换器的一个特性。虽然这可能很重要，但它并不能精确地描述图像的质量。同时我们也应清楚地认识到，当图像传感器具有多
9、个可调模拟增益设置时，模拟/数字转换器的分辨率不会对图像传感器的动态范围产生限制。光学尺寸的概念的模糊，是由于传统观念而致。使用光导摄像管只能在部分范围内产生有用的图像。它的计算包括度量单位的转换和向上舍入的方法。采用向上舍入的方法，先以毫米为单位测量图像传感器的对角线除以 16，就能得到以英寸为单位的光学尺寸。例如 0.97cm 的尺寸是 1.27cm 而不是 0.85cm。假如你选择了一个光学尺寸为 0.85cm 的图像传感器，很可能出现图像的四周角落上的映影（阴影）现象。这是因为有些资料一览表欺骗性地使用了向下舍入的方法。例如，将 0.97cm 的尺寸称为 0.85cm,理由很简单：0.
10、85cm 光学尺寸的图像传感器的价格要比 1.27cm 光学尺寸的图像传感器的价格低得多，但是这对系统工作性能产生不利影响。所以，设计者应该通过计算试用各种不同的图像传感器来得到想要的性能。CMOS 图像传感器的一个很大的优点就是它只要求一个单电压来驱动整个装置。不过设计者仍应谨慎地布置电路板驱动芯片。根据实际要求，数字电压和模拟电压之间尽可能地分离开以防止串扰。因此良好的电路板设计，接地和屏蔽就显得非常重要。尽管这种图像传感器是一个 CMOS 装置并具有标准的输入/输出（I/O ）电压，但它实际的输入信号相当小，而且对噪声也很敏感。到目前为止，已设计出高集成度单芯片 CMOS 图像传感器。设
11、计者力求使有关图像的应用更容易实现多功能，包括自动增益控制（AGC）、自动曝光控制（AEC ）、自动平衡（AMB ）、伽玛样正、背景补偿和自动黑电平校正。所有的彩色矩阵处理功能都集成在芯片中。CMOS 图像传感器允许片上的寄存器通过 I2C 总线对摄像机编程，具有动态范围宽、抗浮散且几乎没有拖影的优点。4、CMOSAPS 的潜在优点和设计方法41CMOSAPS 胜过 CCD 图像传感器的潜在优点CMOSAPS 胜过 CCD 图像传感器的潜在优点包括15：1）消除了电荷反复转移的麻烦，免除了在辐射条件下电荷转移效率（CTE）的退化和下降。2）工作电流很小，可以防止单一振动和信号闭锁。3）在集成电
12、路芯片中可进行信号处理，因此可提供芯迹线，模/数转换的自调节，也能提供由电压漂移引起的辐射调节。与硅探测器有关，需要解决的难题和争论点包括12 ：1）在体材料界面由于辐射损伤而产生的暗电流的增加问题。2）包括动态范围损失的阈值漂移问题。3）在模/数转换电路中，定时和控制中的信号闭锁和单一扰动问题。42CMOSAPS 的设计方法CMOSAPS 的设计方法包括：1）为了降低暗电流而进行研制创新的像素结构。2）使用耐辐射的铸造方法，再研制和开发中等尺寸“dumb” （哑）成像仪（通过反复地开发最佳像素结构）。3）研制在芯片上进行信号处理的器件，以适应自动调节本身电压 Vt的漂移和动态范围的损失。4）
13、研制和开发耐辐射（单一扰动环境）的定时和控制装置。5）研制和加固耐辐射的模/数转换器。6）寻找低温工作条件，以便在承受最大幅射强度时，找到并证实最佳的工作温度。7）研制和开发大尺寸、全数字化、耐辐射的 CMOSAPS，以便生产。8）测试、评价和鉴定该器件的性能。9）引入当代最高水平的组合式光学通信/成像系统测试台。5、像素电路结构设计目前，已设计的 CMOS 图像传感器像素结构有：空隙积累二极管（HAD）型结构、光电二极管型无源像素结构、光电二极管型有源像素结构、对数变换积分电路型结构、掩埋电荷积累和敏感晶体管阵列（BCAST）型结构、低压驱动掩埋光电二极管（LVBPD）型结构、深 P 阱光电
14、二极管型结构、针型光电二极管（PPD）结构和光栅型有源像素结构等。51CMOSPPS 像素结构设计光电二极管型 CMOS 无源像素传感器（CMOSPPS）的结构自从 1967 年 Weckler 首次提出以来实质上一直没有变化，其结构如图 1 所示。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数，并减小 KTC 噪声。当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。单管的 PDCMOSPPS 允许在给定的像素尺寸下有最
15、高的设计填充系数，或者在给定的设计填充系数下，可以设计出最小的像素尺寸。另外一个开关管也可以采用，以实现二维的 XY 寻址。由于填充系数高且没有许多 CCD 中多晶硅叠层，CMOSPPS 像素结构的量子效率较高。但是，由于传输线电容较大，CMOSPPS 读出噪声较高，典型值为 250 个均方根电子，这是致命的弱点。52 CMOSAPS 的像素结构设计几乎在 CMOSPPS 像素结构发明的同时，科学家很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能。虽然 CMOS 图像传感器的成像装置将光子转换为电子的方法与 CCD 相同，但它不是时钟驱动，而是由晶体三极管作为电荷感应放大器。在一些 CM
16、OS 图像传感器中，每组像素的顶端有一个放大器，每个像素只有一个作为阈值电流值开关的三极管。开关像素中的电荷为放大器充电，其过程类似DRAM 中的读取电路，这种传感器被称为 PPS。PPS 的结构很简单，它具有高填充系数。各像元没有很多的多晶硅层覆盖，其量子效率很高，但是 PPS 的读取干扰很高，只适应于小阵列传感器。在 CMOSAPS 中每一像素内都有自己的放大器。 CMOSAPS的填充系数比 CMOSPPS 的小，集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使 4050的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于 CMOSAPS 像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以 CMOSAPS 的功耗比 CCD 图像传感器的还小。与 CMOSPPS 相比， CMOSAPS 的填充系数较
