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CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑
    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
    D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,D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,D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,D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,D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,D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,D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。D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。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