CMOS图像传感器的基本原理及设计.doc

CMOS图像传感器基础原理及设计考虑
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图像传感器因为灵敏度高、 噪声低, 逐步成为图像传感器主流。 但因为工艺上原因, 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缺点, 图像质量还无法和CCD图像传感器相比。
       假如把CMOS图像传感器光照灵敏度再提升5倍～10倍, 把噪声深入降低, CMOS图像传感器图像质量就能够达成或略微超出CCD图像传感器水平, 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图像传感器替换CCD图像传感器就会成为事实。
        因为CMOS图像传感器应用, 新一代图像系统开发研制得到了极大发展, 而且伴随经济规模形成, 其生产成本也得到降低。 现在, CMOS图像传感器画面质量也能和CCD图像传感器相媲美, 这关键归功于图像传感器芯片设计改善, 和亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部新功效。
        实际上, 更确切地说, CMOS图像传感器应该是一个图像系统。 一个经典CMOS图像传感器通常包含: 一个图像传感器关键（是将离散信号电平多路传输到一个单一输出, 这和CCD图像传感器很相同）, 全部时序逻辑、 单一时钟及芯片内可编程功效, 比如增益调整、 积分时间、 窗口和模数转换器。 实际上, 当一位设计者购置了CMOS图像传感器后, 她得到是一个包含图像阵列逻辑寄存器、 存放器、 定时脉冲发生器和转换器在内全部系统。 和传统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, 而且含有重量较轻, 占用空间降低和总体价格更低优点。
2、 基础原理
       从某首先来说, CMOS图像传感器在每个像素位置内全部有一个放大器, 这就使其能在很低带宽情况下把离散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图像传感器优点之一就是它含有低带宽, 并增加了信噪比。 因为制造工艺限制, 早先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技术, 噪声性能很不理想, 而且还引来对CMOS图像传感器种种干扰。
       然现在天, 伴随制作工艺提升, 使在像素内部增加复杂功效想法成为可能。 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相关双采样保持电路和消除噪声等多个附加功效。 实际上, 在Conexant企业（前Rockwell半导体企业）一台优异CMOS摄像机所用CMOS图传感器上, 每一个像素中全部设计并使用了6个晶体管, 测试到读出噪声只有1均方根电子。 不过, 伴随像素内电路数量不停增加, 留给感光二极管空间逐步降低, 为了避免这个百分比（又称占空因数或填充系数）下降, 通常全部使用微透镜, 这是因为每个像素位置上微小透镜全部能改变入射光线方向, 使得原来会落到连接点或晶体管上光线重回到对光敏感二极管区域。
       因为电荷被限制在像素以内, 所以CMOS图像传感器另一个固有优点就是它防光晕特征。 在像素位置内产生电压先是被切换到一个纵列缓冲区内, 然后再被传输到输出放大器中, 所以不会发生传输过程中电荷损耗和随即产生光晕现象。 它不利原因是每个像素中放大器阈值电压全部有细小差异, 这种不均匀性就会引发固定图像噪声。 然而, 伴随CMOS图像传感器结构设计和制造工艺不停改善, 这种效应已经得到显著弱化。
       这种多功效集成化, 使得很多以前无法应用图像技术地方现在也变得可行了, 如孩子玩具, 愈加分散保安摄像机、 嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中摄像机、 带相机移动电路、 指纹识别系统、 甚至于医学图像上所使用一次性摄影机等, 这些全部已在一些设计者考虑之中。
3设计考虑
       然而, 这个行业还有一个受到普遍关注问题, 那就是测量方法, 具体指标、 阵列大小和特征等方面还缺乏统一标准。 每一位工程师在比较多种资料一览表时, 可能会发觉在一张表上列出是相关读出噪声或信噪比资料, 而在另一张表上可能只是强调相关动态范围或最大势阱容量资料。 所以, 这就要求设计者们能够判定哪一个参数对她们最关键, 而且尽可能充足利用多产品CMOS图像传感器家族。
       部分关键性能参数是任何一个图像传感器全部需要关注, 包含信噪比、 动态范围、 噪声（固定图形噪声和读出噪声）、