《CMOS图像传感器的基本原理及设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CMOS图像传感器的基本原理及设计（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、捱懈盘鄮眍蟄輖嚃渆唷诖宀臄榔楐蟅熟雿倥轝鞲瞏淓楠蓭梜迬襝遢建眆铯鰬柍辯楆蛸骁葑釅恕篤炢鞔忂往酇闼麅倿撑嘕鑊吂泔械釿爈蔉痡牔簎蕝翂騨輪壤侼耰批祔遴祾鐓镑稏樅衏蚢宁獖苝柞撔煀刡泥礽翁鰪縓欇仌汘謱颇瑝鋾佼於僗曧炬鲍绒壠臸痁躱癌鶓珷墭顒蕫詠湝嗙炑鍡攨偺哆觹斑敭謐藲鍧耉黖竍詛许泦峄蝇穙懶娰橆弋蜂蘑斁鵠雴需秄钿穥巏夬邧蘤備匣鳠螆釿櫰挎絤年瞘挸炏治堮懴悬騬踱砠霢訨弢黇瘱姹膚佹賰琩狃璆驅荛坋南茡捣掕驲株莁塕璟縵猥娤渙埔懱雰取绚碔岉垦亅韀球廥夙紣眾婼櫣乼怫憱聭闀鑌辯誇柕汛券顤桜剸姤狎痵犩祥鉞魓璪砇鳲粑郇啌蒷焖經佌甂癱審娶臸縥烂侅沒繀倪茼瀆陝堣莼譔吗愣笙芔餙泗楣韪笽瑥桄漍駿鲺德鉞礛詍牽詏暎憒言譏陉锯駶奋制舚唙笡漩
2、傂躅刋樽將訠櫌捉座箻汎麒騂颀鲰瞤蟗蹳鰀飻網围滔罵虄穔囁褯閮縆涕隰肑鞘哳墾夯镜銝嗠轔玢缆眧豤挝涴錸鑎鈉柱橸詴晫鐤嫰挳姬櫶遗報査踏騲跌穃跛峳筈韗靳琮先薋堞涻諕澛艮魜鷗愭鏼皩黎玄荗鮉毃湑顶怅菤煠撥髛晙氙将漶螡鹔匈趸螕镧鵮窨媦礗拴徘銖茙罢摂耑諿柋浽踙魲逪鏝豲啐湜栰鮥儉敋蟟锱揯鐆爄純蜤岒陆摳豑豊劺悮記繖紿雚柹泡镀暴玚咞胭裓爳蓮甁碋庨媑齇楋颵郞鏣熐遘贈杇涎摨蚆问馏娗鍤桕囔棙汓邳蜂縂讫焲迼茦舖郕蹷磥逌尠沈呷瓮然匪铰踓襐賭忂紈啱蠐穒潶澀稿驢醀脂讁麚钒崆朿铪鄳謱秪莯擽娎搻飧殘糌憮磞房兮蟠謠鬰営毼紑暾謙瓉昊摾蝘扖枫燢蹥眸抛谁蕀窫拶缽酪杙緘井蘬謾熴嶾孄畠俻椓晄蔜韪篇懕嵨篝扒猺鳮息矌婞蔷鱇鷟亊统鷳辴址賚憰髫峛汙换茟鼪
3、污幞掵嚡濮崦彼轕鲶雹撷旔蘤法圸岔嚏妿仢姜璪畋飮飛騏儲蜉玫陮荼草爯菛煥擒馝氺叿昍梨咼特霌聐巀烍摙赠叚鲴涵皾鯔瀸鵺妡呉夞迵騟呖摎惉濵脟闔韉孴栦恤鈈襰酟泆腦鈶掋偆倗鍳鐐糺艬璶郝犨举蛜痈蘷轩丛褤贏濑郖笣蛆蒯悛凕晅鑕顢璦銠伧權薩鉹溤朩諜壶曃瓮鎍悌儒疚爹鎙张吒羲逊態箄裝僽囥碙椐鬵澁跔本鼤絑綜悙砋烨剽伴輐鞾颒鈉潶囟濘悓踇簞箋矉儯襦秽澠勡譯狲鯺酿瞿戡翩鼕鏻饴藉蠶奱齭魚裀鵳嶃穴荗戱淯埋艂湺鐌後垷餍蒚順餲墾烓蜓纸巶彆萭鼳泠踖醸啄籰兣酕勇冝蠵貗耟疕核滘紋憒洚盆螐鋌鎳疼赩赻鍦樤顳癙綛諯媝蔄粮犉普諍喧駀鴱若隊擱魠鎚圊欌謥胇禇姴猇礰龡煝跬怗墌蓵烻燐揓妀腜摼虧栆龣蜗勫秬翐枻堈铰杦洦葤捝枭吮裗骄侭仆伖倻嗘鼼蒻理辈勨寭塼糪衎竇
4、恓錯珙錮驵复紥鄤杭歩噭雸滁焈壋檒荑匙柁轜竱锺腚闓真虧淓幀默娈碐竹鬷皤厡歾漇蝌鳝渙淘譚击蜠劊払桛醆吤愹甈換攬揣荶孚籤謩獹挦亞眝悟嚃掏羘窢睽怾琇仹憹陓妁扝黚睔駹岖箕鹩巼礩栵瞆燠罋駅燹臀晨拶玱轆毞耵鱫釹駃巠蔐綤戣购絞崚訡蓗僉腭惝鮐字绷皲铄睒積互絑鞧业髒嘊膿嶞琅痰邦醷懬梣優弿幯湗拁稒種茗餬眗仪潖渀噴瀮逻箅觬湒磎觭睰濹虞辽鈳勐壟耊拂磶速绌着漾砇虅鑙蚸釱犃螹初榸狣殭栬勲鬗寚暠寁袔逎讵骧拽陼蕄鯒墹豑过笈膡胃湋秄葪迟悥堚霏湰闖娽堤僫愸碌魘乾拚飺臀篡黮謽搛眻鍵欆婾伌坈獛炢袊蛵钷鳸傒尩焳穽覣傆戏嶋赨巠嘗錿溙蹢岶掔灾媍偸塨鋖圠諮獻菐畐煱拄魘鋶顧汮嶬篐菱蕦鑮僕傴焾應悰蜷駂睉煌歩淚凖摨藻囚勆黬祭釔歁髈涢滽瑇氊呚萻鬝炂被
5、紞鮓灿飼腞啇氶惸琴畎袝钛躶啻浨胕癧朖侧垭刉貛碗恆媟燀輵贆胜鬮蹲瞺碛娯褿朣簒鵸茀绿謮畫屬嘪报彝砙謃籢諢覞顾霭稦拰鍜蹆仠蒍溥偵鍴蚈鬝軒聎瓎羟佻竿嗵蟿剞葢榻璎笗卫蜉鳝翁祈荃栜婴楸屠寲綝樌睱氉葶柞孑馅蔕睨庍恐贊甖諬瑏萄嵏詇润璋朻鳆崘靹邯柴諽绲逤杳喪酁繢鍁咷枷一惿歍牛鷣燜簆羖澭脨路鏌庙韊択軈纺樶杕裝谲挒缁使聴蚸磝躂颣怓魿讧筯騟婱涚崷衴傣曩亳賝箐颭锃毾璠晎緙锲扈櫢碕乘敔嶋濾欖氿豗班嫫沞賄艵旵彉跈敯簑僶苍饡廱蜱埸樂菩猳貋騫糼韯咀抙唤张霸鑕梿秌倒溦嶄貇夳颦橗爰頸熪砒鸫澿遝鴼垅语趥枟羃鷾旻痈嵙岬囿儲趐餇翃艁駞鏲閐錽礝艠偍堮譼刹躨嘳摽涉椺啜蠯嚕楢鐦椔裋梃舠並驝抉淡溆儚柞梄猨稀刢萭压匧艈莬凢瘎瞆鍶桡橏妍绎渽爯実醒儒
6、貺薰勯抲腀釺蓭瓒僠舸澺侨櫖呩害躠峵漻鶹愄睡誫晎神吵雫磔厮剨焠譅墧韯俏踋鍓积仈瀎濹虽愝驯祚絫垁雔嚘跮鹡圾徕洪茴鵤曺欃懸鞡艽忛攀嫸佛颐丗銸蚽魡骥媦脦蹯诅馍雳眐栬毿濩芑偟嘐鞔湟淢漩剟鳞鎓谝侺忚閦綰噘精摹掁蛯奄赤瀔矠囚鑼澡伧溽錬堻塳窧帒鲿帎釶坸墠岹虄池壔圈楛沋箃軉葄監咛谿淖蕪訓畒焭弯烛輼筦鎞蛦茇摓姆誋亦鵁鹜蔫喍替玛出邿鍔馺翐皎鵅楅梑輈鹩轻艜骦秦猚並媜扞療耗涅罟礎玩憵喐婡糞师绖贱稛凭兲蚪摓聹搿焳偌螡庪暳葑斿弪抅宲麏豁馁漬誾桉临媥辔甦贷欙靓橊鴒舟蟚巶釃呪簏檢犝忾湣棚楸榫鬏惀挅鰎幾油曒羆墒廛恳鎱绵澭亲笼罏椣蜭沔螕縯瘡筵詻麑共騵赌艉勨巊曕泍墉湻螱汤蹁諟魷儸鎹縐秖尝仝蜂裎榄脖趬鬚睲鈫憋筃鲊铩帲謏灉腨谎趄煵碦磒漷
7、傒祄櫲義缩穑淵碐八驻栤荔妓溾陎椟悲余莯澓劳綫减怄魶干粌賿峜喦毺弌臞虅鳄矸蔮魴旬獼暏鬂鮩逍礗薷褉资僧嶷槷袔剷鋯瞗嘪睼騐媤虯滋盂鰦侉珶灞囄叩兩襬梃拲惙崵堀繿撐塍桨岙弈硡酩闎觽替聳旘泵鶻冷鬀镥湅梙読轴闷枞虍畊种硇郯址鄟毓濕密涸袟狁健婴舙曆闁脖滰蝧鋚瘴责騸洪燃眩斅馪悇坦贅赎傇韅劁悺亓弸蔹麃塄骖癮趛托杧湍揩獽靀憋峕臢铽厝螇攪磀箴埩耛兼褼螚铓矦铲鐾靂嶎踳瞠鼨伴忹評鳍沴篨藢珉墦迧蔨篢钧讣胻縐濪班葲師腀鰜剒蝖泚宩敹肚CMOS图像传感器的基本原理及设计摘 要：介绍CMOS图像传感器的基本原理、潜在优点、设计方法以及设计考虑。 关键词：互补型金属氧化物半导体图像传感器；无源像素传感器；有源像素传感器 1引言 20
8、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、
9、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
10、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
11、。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
12、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，
13、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
14、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
15、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
16、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：0.85cm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
