CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 第1張" title="cmos圖像傳感器工作原理：CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 第1張-傳感器知識網(wǎng)"/>
cmos圖像傳感器工作原理：CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理
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CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)目前主要有無源像素圖像傳感器（Passive Pixel Sensor，PPS）和有源像素圖像傳感器（Active Pixel Sensor，APS）兩種，如圖1所示。由于PPS信噪比低、成像質(zhì)量差，所以目前絕大多數(shù)CMOS圖像傳感器采用的是APS結(jié)構(gòu)。APS結(jié)構(gòu)的像素內(nèi)部包含一個有源器件。由于該放大器在像素內(nèi)部具有放大和緩沖功能，具有良好的消噪功能，且電荷不需要像CCD器件那樣經(jīng)過遠(yuǎn)距離移位到達(dá)輸出放大器，因此避免了所有與電荷轉(zhuǎn)移有關(guān)的CCD器件的缺陷。
圖1 CMOS的兩種像素結(jié)構(gòu)
由于每個放大器僅在讀出期間被激發(fā)，所以將經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的信號在像素內(nèi)放大，然后用X－Y地址方式讀出，提高了固體圖像傳感器的靈敏度。APS像素單元有放大器，它不受電荷轉(zhuǎn)移效率的限制，速度快，圖像質(zhì)量較PPS得到了明顯地改善。但是與PPS相比，APS的像素尺寸較大、填充系數(shù)小，所設(shè)計(jì)的填充系數(shù)典型值為0.2～0.3。
一個典型的CMOS圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在同一芯片上集成有模擬信號處理電路、I(2)C控制接口、曝光／白平衡控制、視頻時序產(chǎn)生電路、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、行選擇、列選擇及放大和光敏單元陣列。芯片上的模擬信號處理電路主要執(zhí)行相關(guān)雙采樣（CorrelatedDouble Sampling，CDS）功能。芯片上的A／D轉(zhuǎn)換器可以分為像素級、列級和芯片級幾種情況，即每一個像素有一個A／D轉(zhuǎn)換器，每一個列像素有一個A／D轉(zhuǎn)換器，或者每一個感光陣列有一個A／D轉(zhuǎn)換器。由于受芯片尺寸的限制，所以像素級的A／D轉(zhuǎn)換器不易實(shí)現(xiàn)。CMOS片內(nèi)部提供了一系列控制寄存器，通過總線編程（如Pc總線）來對自增益、自動曝光、白色平衡、／校正等功能進(jìn)行控制，編程簡單、控制靈活。直接輸出的數(shù)字圖像信號可以很方便地與后續(xù)處理電路接口，供數(shù)字信號處理器對其進(jìn)行處理。
圖2 CMOS芯片組成方框圖
來源:ks99
技術(shù)資料出處:ju
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引言
20世紀(jì)70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器同時起步。CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像傳感器組裝的攝像機(jī)體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場上獨(dú)樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點(diǎn)，圖像質(zhì)量還無法與CCD圖像傳感器相比。
如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍～10倍，把噪聲進(jìn)一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量就可以達(dá)到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低等優(yōu)點(diǎn)，如此，CMOS圖像傳感器取代CCD圖像傳感器就會成為事實(shí)。
由于CMOS圖像傳感器的應(yīng)用，新一代圖像系統(tǒng)的開發(fā)研制得到了極大的發(fā)展，并且隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的形成，其生產(chǎn)成本也得到降低。現(xiàn)在，CMOS圖像傳感器的畫面質(zhì)量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要?dú)w功于圖像傳感器芯片設(shè)計(jì)的改進(jìn)，以及亞微米和深亞微米級設(shè)計(jì)增加了像素內(nèi)部的新功能。
實(shí)際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個圖像系統(tǒng)。一個典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個圖像傳感器核心（是將離散信號電平多路傳輸?shù)揭粋€單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時序邏輯、單一時鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計(jì)者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD圖像系統(tǒng)相比，把整個圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價格更低的優(yōu)點(diǎn)。
一、CMOS基本原理
從某一方面來說，CMOS圖像傳感器在每個像素位置內(nèi)都有一個放大器，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。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一就是它具有低的帶寬，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，早先的CMOS圖像傳感器無法將放大器放在像素位置以內(nèi)。這種被稱為PPS的技術(shù)，噪聲性能很不理想，而且還引來對CMOS圖像傳感器的種種干擾。
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。現(xiàn)在，在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開關(guān)、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實(shí)際上，在Conexant公司（前Rockwell半導(dǎo)體公司）的一臺先進(jìn)的CMOS攝像機(jī)所用的CMOS圖傳感器上，每一個像素中都設(shè)計(jì)并使用了6個晶體管，測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過，隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的不斷增加，留給感光二極管的空間逐漸減少，為了避免這個比例（又稱占空因數(shù)或填充系數(shù)）的下降，一般都使用微透鏡，這是因?yàn)槊總€像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的方向，使得本來會落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區(qū)域。
因?yàn)殡姾杀幌拗圃谙袼匾詢?nèi)，所以CMOS圖像傳感器的另一個固有的優(yōu)點(diǎn)就是它的防光暈特性。在像素位置內(nèi)產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個縱列的緩沖區(qū)內(nèi)，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦校虼瞬粫l(fā)生傳輸過程中的電荷損耗以及隨后產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象。它的不利因素是每個像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差別，這種不均勻性就會引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的不斷改進(jìn)，這種效應(yīng)已經(jīng)得到顯著弱化。
這種多功能的集成化，使得許多以前無法應(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)的移動電路、指紋識別系統(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。
然而，這個行業(yè)還有一個受到普遍關(guān)注的問題，那就是測量方法，具體指標(biāo)、陣列大小和特性等方面還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。每一位工程師在比較各種資料一覽表時，可能會發(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)于動態(tài)范圍或最大勢阱容量的資料。因此，這就要求設(shè)計(jì)者們能夠判斷哪一個參數(shù)對他們最重要，并且盡可能充分利用多產(chǎn)品的CMOS圖像傳感器家族。
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、動態(tài)范圍、噪聲（固定圖形噪聲和讀出噪聲）、光學(xué)尺寸以及電壓的要求。應(yīng)當(dāng)知道并用來對比的重要參數(shù)有：最大勢阱容量、各種工作狀態(tài)下的讀出噪聲、量子效率以及暗電流，至于信噪比之類的其它參數(shù)都是由那些基本量度推導(dǎo)出來的。
對于像保安攝像機(jī)一類的低照度級的應(yīng)用，讀出噪聲和量子效應(yīng)最重要。然而對于象戶外攝影一類的中、高照度級的應(yīng)用，比較大的最大勢阱容量就顯得更為重要。
動態(tài)范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數(shù)。動態(tài)范圍是最大勢阱容量與最低讀出噪聲的比值，它之所以引起誤解，是因?yàn)樽x出噪聲經(jīng)常不是在典型的運(yùn)行速度下測得的，而且暗電流散粒噪聲也常常沒有被計(jì)算在內(nèi)。信噪比主要決定于入射光的亮度級（事實(shí)上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號還要大）。
所以，信噪比應(yīng)該將所有的噪聲源都考慮在內(nèi)，有些資料一覽表中常常忽略散粒噪聲，而它恰恰是中、高信號電平的主要噪聲來源。而SNRDARK得到說明，實(shí)際上與動態(tài)范圍沒有什么兩樣。數(shù)字信噪比或數(shù)字動態(tài)范圍是另一個容易引起混淆的概念，它表明的只是模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器的一個特性。雖然這可能很重要，但它并不能精確地描述圖像的質(zhì)量。同時我們也應(yīng)清楚地認(rèn)識到，當(dāng)圖像傳感器具有多個可調(diào)模擬增益設(shè)置時，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率不會對圖像傳感器的動態(tài)范圍產(chǎn)生限制。
光學(xué)尺寸的概念的模糊，是由于傳統(tǒng)觀念而致。使用光導(dǎo)攝像管只能在部分范圍內(nèi)產(chǎn)生有用的圖像。它的計(jì)算包括度量單位的轉(zhuǎn)換和向上舍入的方法。采用向上舍入的方法，先以毫米為單位測量圖像傳感器的對角線除以16，就能得到以英寸為單位的光學(xué)尺寸。例如0.97cm的尺寸是1.27cm而不是0.85cm。假如你選擇了一個光學(xué)尺寸為0.85cm的圖像傳感器，很可能出現(xiàn)圖像的四周角落上的映影（陰影）現(xiàn)象。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。例如，將0.97cm的尺寸稱為0.85cm,理由很簡單：0.85cm光學(xué)尺寸的圖像傳感器的價格要比1.27cm光學(xué)尺寸的圖像傳感器的價格低得多，但是這對系統(tǒng)工作性能產(chǎn)生不利影響。所以，設(shè)計(jì)者應(yīng)該通過計(jì)算試用各種不同的圖像傳感器來得到想要的性能。
CMOS圖像傳感器的一個很大的優(yōu)點(diǎn)就是它只要求一個單電壓來驅(qū)動整個裝置。不過設(shè)計(jì)者仍應(yīng)謹(jǐn)慎地布置電路板驅(qū)動芯片。根據(jù)實(shí)際要求，數(shù)字電壓和模擬電壓之間盡可能地分離開以防止串?dāng)_。因此良好的電路板設(shè)計(jì)，接地和屏蔽就顯得非常重要。盡管這種圖像傳感器是一個CMOS裝置并具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出（I/O）電壓，但它實(shí)際的輸入信號相當(dāng)小，而且對噪聲也很敏感。
到目前為止，已設(shè)計(jì)出高集成度單芯片CMOS圖像傳感器。設(shè)計(jì)者力求使有關(guān)圖像的應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)多功能，包括自動增益控制（AGC）、自動曝光控制（AEC）、自動平衡（AMB）、伽瑪樣正、背景補(bǔ)償和自動黑電平校正。所有的彩色矩陣處理功能都集成在芯片中。CMOS圖像傳感器允許片上的寄存器通過I2C總線對攝像機(jī)編程，具有動態(tài)范圍寬、抗浮散且?guī)缀鯖]有拖影的優(yōu)點(diǎn)。
二、CMOS APS的潛在優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法
1、CMOS APS勝過CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點(diǎn)
CMOSAPS勝過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。
2）工作電流很小，可以防止單一振動和信號閉鎖。
3）在集成電路芯片中可進(jìn)行信號處理，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)。
與硅探測器有關(guān)，需要解決的難題和爭論點(diǎn)包括[1]～[2]：
1）在體材料界面由于輻射損傷而產(chǎn)生的暗電流
的增加問題。
2）包括動態(tài)范圍損失的閾值漂移問題。
3）在模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，定時和控制中的信號閉鎖和單一擾動問題。
2、CMOS APS的設(shè)計(jì)方法
CMOS APS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)。
2）使用耐輻射的鑄造方法，再研制和開發(fā)中等尺寸“dumb”（啞）成像儀（通過反復(fù)地開發(fā)最佳像素結(jié)構(gòu)）。
3）研制在芯片上進(jìn)行信號處理的器件，以適應(yīng)自動調(diào)節(jié)本身電壓Vt的漂移和動態(tài)范圍的損失。
4）研制和開發(fā)耐輻射（單一擾動環(huán)境）的定時和控制裝置。
5）研制和加固耐輻射的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
6）尋找低溫工作條件，以便在承受最大幅射強(qiáng)度時，找到并證實(shí)最佳的工作溫度。
7）研制和開發(fā)大尺寸、全數(shù)字化、耐輻射的CMOS APS，以便生產(chǎn)。
8）測試、評價和鑒定該器件的性能。
9）引入當(dāng)代最高水平的組合式光學(xué)通信/成像
系統(tǒng)測試臺。
三、像素電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前，已設(shè)計(jì)的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)有：空隙積累二極管（HAD）型結(jié)構(gòu)、光電二極管型無源像素結(jié)構(gòu)、光電二極管型有源像素結(jié)構(gòu)、對數(shù)變換積分電路型結(jié)構(gòu)、掩埋電荷積累和敏感晶體管陣列（BCAST）型結(jié)構(gòu)、低壓驅(qū)動掩埋光電二極管（LV－BPD）型結(jié)構(gòu)、深P阱光電二極管型結(jié)構(gòu)、針型光電二極管（PPD）結(jié)構(gòu)和光柵型有源像素結(jié)構(gòu)等。
1、CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
光電二極管型CMOS無源像素傳感器（CMOS PPS）的結(jié)構(gòu)自從1967年Weckler首次提出以來實(shí)質(zhì)上一直沒有變化，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由一個反向偏置的光敏二極管和一個開關(guān)管構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)管開啟時，光敏二極管與垂直的列線連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)，并減小KTC噪聲。當(dāng)光敏二極管存貯的信號電荷被讀出時，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。
單管的PD CMOS PPS允許在給定的像素尺寸下有最高的設(shè)計(jì)填充系數(shù)，或者在給定的設(shè)計(jì)填充系數(shù)下，可以設(shè)計(jì)出最小的像素尺寸。另外一個開關(guān)管也可以采用，以實(shí)現(xiàn)二維的X Y尋址。由于填充系數(shù)高且沒有許多CCD中多晶硅疊層，CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)的量子效率較高。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS PPS讀出噪聲較高，典型值為250個均方根電子，這是致命的弱點(diǎn)。
2、CMOS APS的像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
幾乎在CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)發(fā)明的同時，科學(xué)家很快認(rèn)識到在像素內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能。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，但它不是時鐘驅(qū)動，而是由晶體三極管作為電荷感應(yīng)放大器。在一些CMOS圖像傳感器中，每組像素的頂端有一個放大器，每個像素只有一個作為閾值電流值開關(guān)的三極管。開關(guān)像素中的電荷為放大器充電，其過程類似DRAM中的讀取電路，這種傳感器被稱為PPS。PPS的結(jié)構(gòu)很簡單，它具有高填充系數(shù)。各像元沒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。
在CMOS APS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。CMOS APS的填充系數(shù)比CMOS PPS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。這種傳感器的另一個問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實(shí)現(xiàn)。由于CMOS APS像素內(nèi)的每個放大器僅在此讀出期間被激發(fā)，所以CMOS APS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。與CMOS PPS相比，CMOS－APS的填充系數(shù)較小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為20％～30％，接近內(nèi)線轉(zhuǎn)換CCD的值。
2.1光敏二極管CMOS APS（PD CMOS APS）的像素結(jié)構(gòu)
1968年，Noble描述了PD CMOS APS。后來，這種像素結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)。PD CMOS APS的像素結(jié)構(gòu)如圖2所示。
高性能CMOS APS由美國哥倫比亞大學(xué)電子工程系和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）在1994年首次研制成功，像素?cái)?shù)為128×128，像素尺寸為40μm×40μm，管芯尺寸為6.8mm×6.8mm，采用1.2μmCMOSn阱工藝試制，動態(tài)范圍為72dB,固定圖形噪聲小于0.15％飽和信號水平。固定圖形噪聲小于0.15％飽和信號水平。1997年***東芝公司研制成功了640×480像素光敏二極管型CMOS APS，其像素尺寸為5.6μm×5.6μm,具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。2000年美國Foveon公司與美國國家半導(dǎo)體公司采用0.18μmCMOS工藝研制成功4096×4096像素CMOS APS[10]，像素尺寸為5μm×5μm，管芯尺寸為22mm×22mm，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。有關(guān)CMOS APS的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用，筆者已作過詳細(xì)介紹。
因?yàn)楣饷裘鏇]有多晶硅疊層，PD CMOS APS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。PD CMOS APS的每個像素采用3個晶體管，典型的像元間距為15μm。PD CMOS APS適宜于大多數(shù)低性能應(yīng)用。
2．2光柵型CMOS APS(PG CMOS APS)的像素結(jié)構(gòu)
1993年由JPL最早研制成功PG CMOS APS并用于高性能科學(xué)成像的低光照明成像。PG CMOS APS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。
光柵信號電荷積分在光柵（PG）下，浮置擴(kuò)散點(diǎn)（A）復(fù)位（電壓為VDD），然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號電荷轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散點(diǎn)，復(fù)位電壓水平與信號電壓水平之差就是傳感器的輸出信號。
當(dāng)采用雙層多晶硅工藝時，PG與轉(zhuǎn)移柵（TX）之間要恰當(dāng)交疊。在光柵與轉(zhuǎn)移柵之間插入擴(kuò)散橋，可以采用單層多晶硅工藝，這種擴(kuò)散橋要引起大約100個電子的拖影。
光柵型CMOS APS每個像素采用5個晶體管，典型的像素間距為20μm（最小特征尺寸）。采用0.25μmCMOS工藝將允許達(dá)到5μm的像素間距。浮置擴(kuò)散電容的典型值為10－14F量級，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。
CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)分為兩大部分，即電路設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，CMOS圖像傳感器的性能好壞，不僅與材料、工藝有關(guān)，更重要的是取決于電路設(shè)計(jì)和工藝流程以及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。這對設(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，還要有較深的理論知識。這個時代對設(shè)計(jì)者來說是一個令人興奮和充滿挑戰(zhàn)的時代。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)用戶的范圍由制造商決定。如果用戶裝有Windows95的系統(tǒng)，那么就要確定圖像系統(tǒng)不是Windows98的。如果你只是為了獲取并存儲大量的低分辨率圖像，那就不要選擇一個能夠提供優(yōu)質(zhì)圖像但同時會產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)以致于無法存儲的高分辨率圖像傳感器。現(xiàn)在還存在許多非標(biāo)準(zhǔn)的接口系統(tǒng)。現(xiàn)在僅供數(shù)字相機(jī)所使用可裝卸存儲介質(zhì)就包括PCMCIA卡、東芝（Toshiba）的速閃存儲器及軟磁盤。重要的是，要根據(jù)產(chǎn)品未來所在的工作環(huán)境，對樣品進(jìn)行細(xì)致的性能評估。
三、3CCD和CMOS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器在設(shè)計(jì)上各不相同，對于CCD圖像傳感器，不能在同一芯片上集成所需的功能電路。因此，在設(shè)計(jì)時，除設(shè)計(jì)光敏感部分（即CCD圖像傳感器）外，還要考慮設(shè)計(jì)提供信號和圖像處理的功能電路，即信號讀出和處理電路，這些電路需要在另外的基片上制備好后才能組裝在CCD圖像傳感器的外圍；而CMOS圖像傳感器則不同，特別是CMOS APS可以將所有的功能電路與光敏感部分（光電二極管）同時集成在同一基片上，制作成高度集成化的單芯片攝像系統(tǒng)。與前者相比，成本低、制備容易、體積小、微型化、功耗低，雖然開始有人認(rèn)為光照靈敏度不如CCD圖像傳感器的高，并且暗電流和噪聲比較大，近來由于改進(jìn)了電路設(shè)計(jì)，采用亞微米和深亞微米光刻技術(shù)，使CMOS圖像傳感器的性能得到改善。已經(jīng)具備與CCD圖像傳感器進(jìn)行競爭的條件，21世紀(jì)，CMOS攝像器件將成為信息獲取與處理領(lǐng)域的佼佼者。到那時，單芯片攝像機(jī)和單芯片數(shù)碼相機(jī)將進(jìn)入千家萬戶。這些都得益于CMOS APS為人們提供了高度集成化的系統(tǒng)，如圖4
所示。圖5示出CMOS數(shù)碼相機(jī)的框圖，從中可見數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
6結(jié)語
CMOS圖像傳感器的前途是光明的，隨著多媒體、數(shù)字電視、可視通訊等市場的增加，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用前景更加廣闊。
CMOS APS為MIS/CCD圖像傳感器設(shè)計(jì)提供了另一選擇方案，它把電荷轉(zhuǎn)換成電壓所需的晶體管裝在每個像素內(nèi)。在這種器件內(nèi)均不必進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，因?yàn)閿?shù)據(jù)讀取是在單個像素內(nèi)完成的。與CCD圖像傳感器相比，這種器件有很成熟的CMOS集成電路工藝，在降低成本方面有潛力。預(yù)期CMOS APS在許多非科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)將最終替代CCD圖像傳感器。
CMOS是Complementary metal Oxide Semiconductor（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的縮寫。它是指制造大規(guī)模集成電路芯片用的一種技術(shù)或用這種技術(shù)制造出來的芯片，是電腦主板上的一塊可讀寫的RAM芯片。因?yàn)榭勺x寫的特性，所以在電腦主板上用來保存BIOS設(shè)置完電腦硬件參數(shù)后的數(shù)據(jù)，這個芯片僅僅是用來存放數(shù)據(jù)的。
而對BIOS中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定要通過專門的程序。BIOS設(shè)置程序一般都被廠商整合在芯片中，在開機(jī)時通過特定的按鍵就可進(jìn)入BIOS設(shè)置程序，方便地對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。因此BIOS設(shè)置有時也被叫做CMOS設(shè)置。
一、CMOS是什么?
CMOS(本意是指互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體存儲囂，是一種大規(guī)模應(yīng)用于集成電路芯片制造的原料)是微機(jī)主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，主要用來保存當(dāng)前系統(tǒng)的硬件配置和操作人員對某些參數(shù)的設(shè)定。CMOS RAM芯片由系統(tǒng)通過一塊后備電池供電，因此無論是在關(guān)機(jī)狀態(tài)中，還是遇到系統(tǒng)掉電情況，CMOS信息都不會丟失。
由于CMOS RAM芯片本身只是一塊存儲器，只具有保存數(shù)據(jù)的功能，所以對CMOS中各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定要通過專門的程序。早期的CMOS設(shè)置程序駐留在軟盤上的(如IBM的PC/AT機(jī)型)，使用很不方便。現(xiàn)在多數(shù)廠家將CMOS設(shè)置程序做到了 BIOS芯片中，在開機(jī)時通過按下某個特定鍵就可進(jìn)入CMOS設(shè)置程序而非常方便地對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，因此這種CMOS設(shè)置又通常被叫做BIOS設(shè)置。
二、CMOS是軀體、是硬件？
BIOS就是(Basic Input/： (BIOS是靈魂，其實(shí)指的都是同一回事，但BIOS與CMOS卻是兩個完全不同的概念，切勿混淆，所以在實(shí)際使用過程中造成了BIOS設(shè)置和CMOS設(shè)置的說法：BIOS中的系統(tǒng)設(shè)置程序是完成CMOS參數(shù)設(shè)置的手段；CMOS RAM既是BIOS設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)的存放場所，又是 BIOS設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)的結(jié)果，負(fù)責(zé)解決硬件的即時需求。CMOS RAM芯片由系統(tǒng)通過一塊后備電池供電！
實(shí)際上我們是通過BIOS這個程序。而CMOS即：Complementary metal Oxide Semiconductor——互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，還是遇到系統(tǒng)掉電情況，CMOS信息都不會丟失。
BIOS和CMOS的區(qū)別與聯(lián)系。準(zhǔn)確地說，BIOS是硬件與軟件程序之間的一個接口或者說是轉(zhuǎn)換器，是一種大規(guī)模應(yīng)用于集成電路芯片制造的原料)。因此，完整的說法應(yīng)該是“通過BIOS設(shè)置程序?qū)MOS參數(shù)進(jìn)行設(shè)置”。由于 BIOS和CMOS都跟系統(tǒng)設(shè)置密初相關(guān)，基本輸入/輸出系統(tǒng)的縮寫)在電腦中起到了最基礎(chǔ)的而又最重要的作用。是電腦中最基礎(chǔ)的而又最重要的程序，是微機(jī)主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，主要用來保存當(dāng)前系統(tǒng)的硬件配置和操作人員對某些參數(shù)的設(shè)定。把這一段程序放在一個不需要供電的記憶體（芯片）中，這就是平時所說的BIOS？
CMOS正確的解釋（應(yīng)該是，它們是靈魂與軀體的關(guān)系)
BIOS是一組設(shè)置硬件的電腦程序，保存在主板上的一塊EPROM或EEPROM芯片中，里面裝有系統(tǒng)的重要信息和設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置程序——BIOS Setup程序，集成在主板上，里面保存著重要的開機(jī)參數(shù)，我們必須通過程序把設(shè)置好的參數(shù)寫入CMOS，并按軟件對硬件的操作要求具體執(zhí)行。電腦使用者在使用計(jì)算機(jī)的過程中，都會接觸到BIOS，它在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起著非常重要的作用。
CMOS為何物，因此無論是在關(guān)機(jī)狀態(tài)中：
BIOS是軟件、是程序！
BIOS是一組設(shè)置硬件的電腦程序，保存在主板上的一塊EPROM或EEPROM芯片中，里面裝有系統(tǒng)的重要信息和設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置程序——BIOS Setup程序。而CMOS即：Complementary metal Oxide Semiconductor——互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，用來保存當(dāng)前系統(tǒng)的硬件配置和用戶對參數(shù)的設(shè)定，其內(nèi)容可通過設(shè)置程序進(jìn)行讀寫。CMOS芯片由主板上的鈕扣電池供電，即使系統(tǒng)斷電，參數(shù)也不會丟失。CMOS芯片只有保存數(shù)據(jù)的功能，而對CMOS中各項(xiàng)參數(shù)的修改要通過BIOS的設(shè)定程序來實(shí)現(xiàn)。
BIOS與CMOS既相關(guān)又不同：BIOS中的系統(tǒng)設(shè)置程序是完成CMOS參數(shù)設(shè)置的手段；CMOS RAM既是BIOS設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)的存放場所，又是 BIOS設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)的結(jié)果。因此，完整的說法應(yīng)該是“通過BIOS設(shè)置程序?qū)MOS參數(shù)進(jìn)行設(shè)置”。由于 BIOS和CMOS都跟系統(tǒng)設(shè)置密初相關(guān)，所以在實(shí)際使用過程中造成了BIOS設(shè)置和CMOS設(shè)置的說法，其實(shí)指的都是同一回事，但BIOS與CMOS卻是兩個完全不同的概念，切勿混淆。
一般都是在開機(jī)自檢時，不停的按“Delete”鍵就能進(jìn)入！
某些主板也有其它鍵，最好看主板說明書。
三、什么是CMOS電路的鎖定效應(yīng)
COMS電路由于輸入太大的電流，內(nèi)部的電流急劇增大，除非切斷電源，電流一直在增大 。這種效應(yīng)就是鎖定效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生鎖定效應(yīng)時，COMS的內(nèi)部電流能達(dá)到40mA以上，很容易燒毀芯片。
防御措施：
1）在輸入端和輸出端加鉗位電路，使輸入和輸出不超過不超過規(guī)定電壓。
2）芯片的電源輸入端加去耦電路，防止VDD端出現(xiàn)瞬間的高壓。
3）在VDD和外電源之間加線流電阻，即使有大的電流也不讓它進(jìn)去。
4）當(dāng)系統(tǒng)由幾個電源分別供電時，開關(guān)要按下列順序：開啟時，先開啟COMS電路得電源，再開啟輸入信號和負(fù)載的電源；關(guān)閉時，先關(guān)閉輸入信號和負(fù)載的電源，再關(guān)閉COMS電路的電源。
四、CMOS集成電路的性能及特點(diǎn)
（1）功耗低CMOS集成電路采用場效應(yīng)管，且都是互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，工作時兩個串聯(lián)的場效應(yīng)管總是處于一個管導(dǎo)通，另一個管截止的狀態(tài)，電路靜態(tài)功耗理論上為零。實(shí)際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態(tài)功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW，動態(tài)功耗（在1MHz工作頻率時）也僅為幾mW。
（2）工作電壓范圍寬CMOS集成電路供電簡單，供電電源體積小，基本上不需穩(wěn)壓。國產(chǎn)CC4000系列的集成電路，可在3~18V電壓下正常工作。
（3）邏輯擺幅大CMOS集成電路的邏輯高電平“1”、邏輯低電平“0”分別接近于電源高電位VDD及電影低電位VSS。當(dāng)VDD=15V，VSS=0V時，輸出邏輯擺幅近似15V。因此，CMOS集成電路的電壓電壓利用系數(shù)在各類集成電路中指標(biāo)是較高的。
（4）抗干擾能力強(qiáng)CMOS集成電路的電壓噪聲容限的典型值為電源電壓的45%，保證值為電源電壓的30%。隨著電源電壓的增加，噪聲容限電壓的絕對值將成比例增加。對于VDD=15V的供電電壓（當(dāng)VSS=0V時），電路將有7V左右的噪聲容限。
（5）輸入阻抗高CMOS集成電路的輸入端一般都是由保護(hù)二極管和串聯(lián)電阻構(gòu)成的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，故比一般場效應(yīng)管的輸入電阻稍小，但在正常工作電壓范圍內(nèi)，這些保護(hù)二極管均處于反向偏置狀態(tài)，直流輸入阻抗取決于這些二極管的泄露電流，通常情況下，等效輸入阻抗高達(dá)103~1011Ω，因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅(qū)動電路的功率。
（6）溫度穩(wěn)定性能好由于CMOS集成電路的功耗很低，內(nèi)部發(fā)熱量少，而且，CMOS電路線路結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)都具有對稱性，在溫度環(huán)境發(fā)生變化時，某些參數(shù)能起到自動補(bǔ)償作用，因而CMOS集成電路的溫度特性非常好。一般陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度為-55~+125℃;塑料封裝的電路工作溫度范圍為 -45~+85℃。
（7）扇出能力強(qiáng)扇出能力是用電路輸出端所能帶動的輸入端數(shù)來表示的。由于CMOS集成電路的輸入阻抗極高，因此電路的輸出能力受輸入電容的限制，但是，當(dāng)CMOS集成電路用來驅(qū)動同類型，如不考慮速度，一般可以驅(qū)動50個以上的輸入端。
五、CMOS使用注意事項(xiàng)
（1）COMS電路時電壓控制器件，它的輸入總抗很大，對干擾信號的捕捉能力很強(qiáng)。所以，不用的管腳不要懸空，要接上拉電阻或者下拉電阻，給它一個恒定的電平。
（2）輸入端接低內(nèi)組的信號源時，要在輸入端和信號源之間要串聯(lián)限流電阻，使輸入的電流限制在1mA之內(nèi)。
（3）當(dāng)接長信號傳輸線時，在COMS電路端接匹配電阻。
（4）當(dāng)輸入端接大電容時，應(yīng)該在輸入端和電容間接保護(hù)電阻。電阻值為R=V0/1mA.V0是外界電容上的電壓。
（5）COMS的輸入電流超過1mA，就有可能燒壞COMS。
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cmos圖像傳感器工作原理：三步讀懂CMOS圖像傳感器的工作原理
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圖像傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，在數(shù)字電視、可視通信市場中有著廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用廣泛的主要是CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)與CMOS(Complementary metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物場效應(yīng)管)這兩種。
其中，CMOS是目前最引人注目，且被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ摹?br/>CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器、時序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。
在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計(jì)算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。
更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個圖像系統(tǒng)。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計(jì)者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。
CMOS圖像傳感器的工作原理詳解：
1、MOS管的像元結(jié)構(gòu)
在了解CMOS圖像傳感器之前，我們需要先知道最底層的結(jié)構(gòu)——MOS管的像元結(jié)構(gòu)。
MOS三極管和光敏二極管組成的相當(dāng)于一個像元的結(jié)構(gòu)剖面，在光積分期間，MOS三極管截止，光敏二極管隨入射光的強(qiáng)弱產(chǎn)生對應(yīng)的載流子并存儲在源極的P．N結(jié)部位上（如下圖中的①位置）。
當(dāng)積分期結(jié)束時，掃描脈沖加在MOS三極管的柵極上，使其導(dǎo)通，光敏二極管復(fù)位到參考電位，并引起視頻電流在負(fù)載上流過，其大小與入射光強(qiáng)對應(yīng)。
MOS三極管源極P．N結(jié)起光電變換和載流子存儲作用，當(dāng)柵極加有脈沖信號時，視頻信號被讀出。
2、CMOS圖像傳感器陣列結(jié)構(gòu)
多個MOS管的像元結(jié)構(gòu)組成CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)，這里是CMOS圖像傳感器感測光的開始。CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。
CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)
（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關(guān)；4一垂直掃描開關(guān)；5一像敏元陣列；6一信號線；7一像敏元）
如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅(qū)動下起開關(guān)作用。水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管，也就是尋址列的作用，垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。
每個像元由光敏二極管和起垂直開關(guān)作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下順次接通水平開關(guān)，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開關(guān)，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。
被光照的二極管產(chǎn)生載流子使結(jié)電容放電，這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負(fù)載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強(qiáng)弱。
3、三步讀懂CMOS圖像傳感器的工作流程
根據(jù)CMOS圖像傳感器的功能框圖，我們可發(fā)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的工作流程主要分為以下三步。
CMOS圖像傳感器的功能框圖
第一步：外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。
景物通過成像透鏡聚焦到圖像傳感器陣列上，而圖像傳感器陣列是一個二維的像素陣列，每一個像素上都包括一個光敏二極管，每個像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號。
第二步：通過行選擇電路和列選擇電路選取希望操作的像素，并將像素上的電信號讀取出來。
在選通過程中，行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描，列同理。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。
第三步：把相應(yīng)的像素單元進(jìn)行信號處理后輸出。
行像素單元內(nèi)的圖像信號通過各自所在列的信號總線，傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出。其中，模擬信號處理單元的主要功能是對信號進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。
像素電信號放大后送相關(guān)雙采樣CDS電路處理，相關(guān)雙采樣是高質(zhì)量器件用來消除一些干擾的重要方法。其基本原理是由圖像傳感器引出兩路輸出，一路為實(shí)時信號，另外一路為參考信號，通過兩路信號的差分去掉相同或相關(guān)的干擾信號。
這種方法可以減少KTC噪聲、復(fù)位噪聲和固定模式噪聲FPN(Fixed Pattern Noise)，同時也可以降低1／f噪聲，提高了信噪比。此外，它還可以完成信號積分、放大、采樣、保持等功能。
然后信號輸出到模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器上變換成數(shù)字信號輸出。
另外，為了獲得質(zhì)量合格的實(shí)用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。
cmos圖像傳感器工作原理：詳解CMOS圖像傳感器的工作原理
描述
更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個圖像系統(tǒng)。
圖像傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，在數(shù)字電視、可視通信市場中有著廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用廣泛的主要是CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)與CMOS(Complementary metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物場效應(yīng)管)這兩種。
其中，CMOS是目前最引人注目，且被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ摹?br/>CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器、時序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。
在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計(jì)算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。
更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個圖像系統(tǒng)。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計(jì)者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。
CMOS圖像傳感器的工作原理詳解：
1、MOS管的像元結(jié)構(gòu)
MOS三極管和光敏二極管組成的相當(dāng)于一個像元的結(jié)構(gòu)剖面，在光積分期間，MOS三極管截止，光敏二極管隨入射光的強(qiáng)弱產(chǎn)生對應(yīng)的載流子并存儲在源極的P．N結(jié)部位上（如下圖中的①位置）。
當(dāng)積分期結(jié)束時，掃描脈沖加在MOS三極管的柵極上，使其導(dǎo)通，光敏二極管復(fù)位到參考電位，并引起視頻電流在負(fù)載上流過，其大小與入射光強(qiáng)對應(yīng)。
MOS三極管源極P．N結(jié)起光電變換和載流子存儲作用，當(dāng)柵極加有脈沖信號時，視頻信號被讀出。
2、CMOS圖像傳感器陣列結(jié)構(gòu)
CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)，由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。
CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)
（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關(guān)；4一垂直掃描開關(guān)；5一像敏元陣列；6一信號線；7一像敏元）
如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅(qū)動下起開關(guān)作用。水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管，也就是尋址列的作用，垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。
每個像元由光敏二極管和起垂直開關(guān)作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下順次接通水平開關(guān)，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開關(guān)，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。
被光照的二極管產(chǎn)生載流子使結(jié)電容放電，這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負(fù)載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強(qiáng)弱。
3、CMOS圖像傳感器的工作原理及流程
根據(jù)CMOS圖像傳感器的功能框圖，可發(fā)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的工作流程主要分為以下三步。
CMOS圖像傳感器的功能框圖
第一步：外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。
景物通過成像透鏡聚焦到圖像傳感器陣列上，而圖像傳感器陣列是一個二維的像素陣列，每一個像素上都包括一個光敏二極管，每個像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號。
第二步：通過行選擇電路和列選擇電路選取希望操作的像素，并將像素上的電信號讀取出來。
在選通過程中，行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描，列同理。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。
第三步：把相應(yīng)的像素單元進(jìn)行信號處理。
行像素單元內(nèi)的圖像信號通過各自所在列的信號總線，傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出。其中，模擬信號處理單元的主要功能是對信號進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。
像素電信號放大后送相關(guān)雙采樣CDS電路處理，相關(guān)雙采樣是高質(zhì)量器件用來消除一些干擾的重要方法。其基本原理是由圖像傳感器引出兩路輸出，一路為實(shí)時信號，另外一路為參考信號，通過兩路信號的差分去掉相同或相關(guān)的干擾信號。
這種方法可以減少KTC噪聲、復(fù)位噪聲和固定模式噪聲FPN(FixedPatternNoise)，同時也可以降低1／f噪聲，提高了信噪比。此外，它還可以完成信號積分、放大、采樣、保持等功能。
然后信號輸出到模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器上變換成數(shù)字信號輸出。
另外，為了獲得質(zhì)量合格的實(shí)用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。
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