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1、CMOS 光电图像传感器原理及应用姓名：张欣（南昌大学信息工程学院，南昌，330031）Theory and Application of CMOS Photoelectric Image Sensor英文姓名：ZhangXin(Nanchang University, Nanchang 330031, China)摘要：与 CCD（Charge Coupled Devices）光电图像传感器相比，CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)光电图像传感器具有功耗低、价格低廉、功能强等优势。随着电子技术的发展，CMOS 光电图像传感器已经走进了我们
2、的生活，广泛应用于单反相机及移动手机摄像头。通过学习 CMOS 光电图像传感器的原理及应用，结合微型计算机的应用与嵌入式系统的开发，可以更好开发新的测量及控制设备。关键词：CMOS 光电图像传感器;原理;转换电路; 应用范围Abstract:Compared with the CCD（Charge Coupled Devices）photoelectric image sensor , the CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)photoelectric image sensor has the advantages of low pow
3、er consumption, low cost, low cost, strong function, and so on.With the development of electronic technology,the CMOS photoelectric image sensor has been entered into our life,and it is widely used in the Digital Single Lens Reflex and camera of mobile phone .Through studying the theory and applicat
4、ion of CMOS photoelectric image sensor,we can develop new measurement machines and control equipment better based on microcomputer and embedded system. Key words:CMOS Photoelectric Image Sensor, Theory,Translation Circuit, Application.1 前言CMOS 图像传感器出现于 1969 年，它是一种 用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号
5、处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件。虽然CMOS 图像传感器比 CCD 早出现一年，但是由于工艺不够成熟，在较长时间内不能广泛应用。近年来，随着工艺的不断改进，CMOS 图像传感器的性能赶上 CCD 器件，加之本身具有功耗低、价格低、尺寸合适等优点，随着数字化智能终端的普及如：智能手机，CMOS 图像传感器与人们的生活越来越密不可分。并却它在数码相机、单反相机、单电相机中也逐步取代了 CCD。从 MOS场效应晶体管开始了解，再学习 CMOS 图像传感器的结构和原理，然后初步了解典型 CMOS 图像传感器-IBIS4 6600 型 CMOS 图像传感器与使用CMOS 图像传感
6、器的几种常见电子产品。2 MOS 管和 CMOS 场效应晶体管简介MOS（MOSFET)场效应管是一种具有表面场效应作用的单极性半导体器件（简图如图 1） 。它由源极 S、漏极 D、栅极 G 等组成。栅极有控制电压 Ug。随着 Ug 的变化，源极 S 和漏极 D 之间的电流也相应变化。 图 1场效应管的主要性能参数有：1.阈值电压 Uth。2.伏安特性曲线（如图 2）图 2MOS 场效应管的伏安特性指的是漏极电流 Id和源漏极之间的电压 Uds 的特性，它取决于栅源间的电压 Ugs、阈值电压 Uth 等，图中段，段，段，段分别表示场效应管的线性区、非饱和区、饱和区和雪崩区。3.频率特性MOS
7、场效应管的频率特性主要取决于沟道中载流子的迁移速度，沟道的长度和寄生电容的容量。输出/输入的频率特性为：gsdmCjkIggsR1)(U）（截止频率 是 MOS 场效应管频率特性的重要参Tf数。Tmfg2C)0(sT4.MOS 场效应晶体管的主要噪声（1）热噪声：由导电沟道电阻产生（2）诱生栅极噪声：由电子在导电沟道中做热运动形成的沟道电势分布的起伏通过栅极电容耦合到栅极上产生。（3）电流噪声：与 MOS 场效应管的表面状态有关。3 CMOS 图像传感器的原理与结构1.CMOS 图像传感器的组成CMOS 图像传感器的组成原理框图如图 3，它的主要组成部分是像敏单元阵列和 MOS 场效应管集成电
8、路，而且这两部分是集成在同一片硅片上的。像敏单元阵列实际上是光敏二极管阵列，它也有线阵和面阵之分。图 3 CMOS 器件原理框图在阵列上采取扫描的方式将信号输出。2.CMOS 图像传感器的像敏单元结构当前常用的像敏单元结构是主动像敏单元结构，它具有较好的图像信号的信噪比。其基本电路图和时序图如图 4a、图 4b：图 4a 主动式像敏单元结构图 4b 主动式像敏单元时序图实际的主动像敏单元结构形式是多种多样的。3.CMOS 图像传感器的工作流程（1）CMOS 图像传感器的典型工作流程图：图 5（2）CMOS 图像传感器的时序脉冲波形图如下：图 64.CMOS 图像传感器的辅助电路CMOS 图像传
9、感器的常用辅助功能电路包括:（1）偏置非均匀性校正电路，由于各像敏单元的偏置电压是不均匀的，采用偏置非均匀性校正电路对偏置的不均匀性进行校正可以更好地检测弱信号，也可以使像敏单元的偏置非均匀性得到校正以达到一定的线性度。其原理图如图 7。图 7 CMOS 传感器非均匀性校正电路（2）随机选址电路，为了节省时间和减少数据处理量，可以只采集部分图像数据，即对图像进行随机采样，以提高数据采集系统的效率。其原理图见图 8。图 8 随机采样原理（3）相关双采样电路：KTC 噪声是一种频率较低的噪声，它在一个像敏单元信号的读出过程中变化很小，用来消除 KTC 噪声的方法是相关双采样（CDS),它的工作原理
10、波形如图 9。图 9 相关双采样原理波形（4）对数特性电路，光信号的变化幅度很大，使采集的图像黑白变化太强，产生较大失真时，采用具有对数特性的电路，使过强的的对比度降低到能够满足动态范围要求的程度。但是，它对器件参数的变化敏感，容易因像敏单元偏置电流差异而使固定图案噪声（EPN) 增加。为了消除这种EPN,需要采用校正电路。虽然相关双采样电路可以消除一般的 EPN，但不适用于具有对数特性的电路，原因在于对数电路中的光敏二极管电容一直在积累光电荷，它不能复位，无法应用 CDS。比较好的解决方式是在器件中加入校正电路。如图 10图 10 具有对数运算功能的像元结构 4 CMOS 图像传感器的特性参
11、数近年来，随着制作工艺的发展，表征 CMOS 图像传感器性能指标参数与 CCD 性能指标的参数基本一致。1.光谱性能与量子效率CMOS 图像传感器的光谱性能与量子效率取决于它的像敏单元（光敏二极管） 。2.填充因子定义填充因子为光敏面积对全部像敏单元所占面积之比，它对器件的有效灵敏度、噪声、时间相应、模仿传递函数 MTF 等影响很大。为了提高填充因子，常用方法是微透镜法和采用特殊的像元结构。3.输入特性与动态范围CMOS 图像传感器有 4 种输出模式：线性模式、双斜率、对数特性模式、 校正模式。它们的动态范围相差很大，特性也有较大的区别。图 11 是4 种输出模式的曲线图。图 11 4 种输出
12、模式的曲线4.噪声CMOS 图像传感器的噪声来源于光敏像元中的光敏二极管、用于放大器的场效应晶体管和行、列选择等开关的场效应管。这些噪声既有共性又有个性。由光敏二极管阵列和场效应管电路构成CMOS 图像传感器时，还可能产生新的噪声。主要噪声分为光敏器件的噪声、MOS 场效应晶体管中的噪声和 CMOS 图像传感器中的工作噪声。5.空间传递函数图像：图 12图 12 CMOS 图像传感器的空间传递函数5 典型 CMOS 图像传感器IBIS4 6600 型 CMOS 图像传感器1.IBIS4 6600 型 CMOS 图像传感器的原理结构如图 13(a)所示，它是 CMOS 图像传感器的主要部分，包括
13、像敏单元阵列、X 和 Y 向读出移位寄存器、二级采样、并行模拟输出放大器和列放大器。IBIS4 6600 型 CMOS 图像传感器的像敏单元的结构如图 13（b）所示，它使用了 3 管（3T）有源技术，大幅度改善了弱光灵敏度。图 13（a） 图 13（b）2.输出放大器IBIS4 6600 型 CMOS 图像传感器输出放大器主要由偏压调节电路、可调增益放大器和输出电路 3部分组成。3.A/D 转换器IBIS4 6600 型 CMOS 图像传感器的 A/D 转换器除具有一般的线性模-数变换外，还具有 模数转换（ 变换）功能，其输入电压范围由外部电阻决定。6 CMOS 图像传感器的应用领域1.生活
14、领域随着电子技术的飞速发展，CMOS 图像传感器已悄然走进了我们的日常生活。智能手机的普及以及单反相机、卡片机价格的平民化，我们的生活已经离不开 CMOS 图像传感器了。如图 14。图 142.工程开发领域随着 CMOS 图像传感器的工艺不断改进，与 CCD 传感器相比，它本身具有的功耗低、性价比高、功能强大、模块化使用能力强等优势。我们可以用它来开发新的机器人摄像头模块、人脸识别模块、速度检测模块等等。7.结论近年来，图像传感器尤其是 CMOS 图像传感器发展越来越迅速，其应用也是越来越广泛，作为一种高集成度的新型传感器，或许暂时我们无法直接研究出国产生产工艺。但是，作为一名控制类专业的本科
15、生，却不能不主动学习、了解并使用CMOS 图像传感器。近两个星期，通过对 CMOS 图像传感器的初步学习，基本上了解了 CMOS 图像传感器的工作原理以及应用。以教材为基础，独立学习一种新型传感器，一方面开拓了个人的视野，强化了独立学习能力，为以后学习其他新型传感器奠定了一个良好的基础。另一方面，通过学习CMOS 图像传感器，为以后结合微型计算机和嵌入式系统开发新的仪器仪表打下了基础。参考文献1 康光华，陈大钦，张林电子技术基础模拟部分高等教育出版社，2006.1 2 阎石数字电子技术基础高等教育出版社，2006.53 孙传友感测技术基础北京：电子工业出版社，201124 王庆友光电传感器应用技术机械工业出版社，2014.1
