CMOS图像传感器的基本原理及设计

1、CMOS图像传感器的基本原理和设计注意事项1，简介20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器一起启动。CCD图像传感器由于高灵敏度低噪声逐渐成为图像传感器的主流。但是，由于流程原因，敏感组件和信号处理电路没有集成到同一个芯片上，由CCD图像传感器组装的摄像机体积大，功耗大。CMOS图像传感器在体积小、功耗低的图像传感器市场上是独一无二的。但是，早期市场上的CMOS图像传感器还没有摆脱低光照灵敏度和低图像分辨率的缺点，图像质量还不能与CCD图像传感器相媲美。通过将CMOS图像传感器的光照灵敏度提高5-10倍，进一步降低噪音，CMOS图像传感器的图像质量可以保持小于或超过CCD图像传感

2、器水平的小尺寸、轻重量、低功耗、高强度、低价格等优点，因此CMOS图像传感器将取代CCD图像传感器。由于CMOS图像传感器的应用，下一代图像系统的开发有了很大的发展，随着经济规模的增长，生产成本也降低了。现在，CMOS图像传感器的屏幕质量也能与CCD图像传感器相媲美，主要是因为图像传感器芯片设计的改进，以及子微米和深亚微米设计增加了像素内部的新功能。实际上，CMOS图像传感器必须是图像系统。典型的CMOS图像传感器通常包括将单个信号级别多路传输到单个输出的图像传感器核心(与CCD图像传感器非常相似)、增益曹征、集成时间、窗口和模拟-数字转换器等所有时序逻辑、单时钟和芯片可编程功能。实际上，如果

3、一名设计人员购买了CMOS图像传感器，他将获得所有系统，包括图像阵列逻辑寄存器、内存、定时脉冲发生器和转换器。与传统CCD映像系统相比，将整个映像系统集成到一个芯片上不仅降低了功耗，还减轻了重量，减少了占地面积，并且总体价格更低。2、基本原理在某些方面，CMOS图像传感器在每个像素位置都有放大器，因此在极低的带宽下将离散电荷信号包转换为电压输出，只需在帧速率下重置即可。CMOS图像传感器的优点之一是带宽低，信噪比增加。由于制造过程的限制，以前的CMOS图像传感器无法将放大器放置在像素位置内。此技术称为PPS，噪音性能不理想，会干扰CMOS图像传感器。但是，随着制作过程的增加，在像素内部添加复杂

4、功能的想法成为可能。现在，在像素位置内添加了多种附加功能，例如电子开关、互阻抗放大器和用于减少固定图形噪声的相关双采样保持电路和噪声消除。实际上，在Conexant(以前的Rockwell半导体公司)的高级CMOS摄像机中使用的CMOS地图传感器中，每个像素设计并使用了6个晶体管，读取噪音仅为1平方根电子。但是，由于随着像素内电路数量的增加，感光二极管上的剩余空间逐渐减少(也称为空置率或充电系数)，因此通常使用微透镜，以防止比率下降。这是因为每个像素位置的小透镜改变入射光线的方向，落在连接点或晶体管上的光线返回到对光敏感的二极管区域。由于电荷限于像素，CMOS图像传感器的另一个独特优点是防光晕

5、属性。在像素位置内生成的电压首先切换到垂直热缓冲区，然后发送到输出放大器，因此在传输过程中不会发生电荷损失和随后发生的光晕现象。其缺点是每个像素中放大器的阈值电压有较小的差异，这种不均匀性会导致固定图像噪声。但是，随着CMOS图像传感器的结构设计和制造过程的不断改进，这种效果大大减弱。由于这种多功能集成，很多以前不能应用视频技术的地方现在成为了一些设计师考虑的对象，例如生孩子玩具等分散的安全相机、显示器和笔记本电脑显示器内置的相机、装有相机的移动电路、指纹识别系统、医疗图像中使用的一次性相机等。3设计注意事项但是，该行业还有一个普遍关注的问题，即在测量方法、具体指标、阵列大小和特性等方面还缺乏

6、统一的标准。当每个工程师比较不同的数据列表时，一个表中列出了读取噪音或信噪比的数据，而另一个表可能仅强调了动态范围或最常见的井容量的数据。因此，设计师必须确定哪些参数对自己最重要，并尽可能充分地利用多产品的CMOS图像传感器系列。需要注意所有类型的图像传感器，包括信噪比、动态范围、噪声(固定图形噪声和读数噪声)、光学大小和电压要求。为了进行比较，需要知道的重要参数包括最常见的井容量、各种操作状态下的读出噪声、杨紫效率和暗电流，其他参数(如信噪比)均源自相应的基本度量。对于保安相机等低照度水平的应用，噪声和量子效应是最重要的。但是在中等和高照度水平的应用中，如室外照片，最大的大势井容量更为重要。

7、动态范围和信噪比是最容易被误解和误用的参数。动态范围是最常用井容量与最低读数噪声的比率，因为在最常用的运行速度下未测量到，暗电流散装噪声也经常不计算。信噪比主要取决于入射光的亮度级别(实际上，如果亮度很低，噪声可能大于信号)。因此，信噪比必须考虑所有噪声源，在某些数据列表中，通常忽略了作为中高信号级别的主要噪声源的粒子噪声。SNRDARK表明，它实际上与动态范围没有区别。数字信噪比或数字动态范围是另一个容易混淆的概念，仅显示模拟/数字(A/D)转换器的一个特性。这可能很重要，但不能准确描述图像的质量。此外，如果图像传感器具有多个可曹征的模拟增益设置，则还必须知道模拟/数字转换器的分辨率对图像传

8、感器的动态范围没有限制。光学大小的概念之所以模糊，是因为传统观念。使用光导摄像管只能在某些范围内生成有用的图像。此计算包括度量的转换和进位方法。使用奥林法将图像传感器的对角线除以毫米等于16，得到以英寸为单位的光学大小。例如，0.97厘米的尺寸为1.27厘米，而不是0.85厘米。选择大小为0.85厘米的图像传感器时，图像周围可能会出现阴影(阴影)现象。因为部分资料目录欺骗性地使用了舍入方式。例如，将0.97厘米的大小称为0.85厘米的原因很简单。0.85厘米光学大小的图像传感器价格比1.27厘米光学大小的图像传感器低很多，但对系统性能有不利影响。因此，设计者必须计算各种图像传感器，以获得所需的

9、性能。CMOS图像传感器的一大优点是，驱动整个设备只需要单个电压。但是，设计者仍然需要仔细放置电路板驱动芯片。根据实际要求，数字电压和模拟电压尽可能远，以防止串扰。因此，如果设计好电路板，接地和屏蔽就非常重要。此图像传感器是具有标准输入/输出(I/O)电压的CMOS设备，但实际输入信号相当小，对噪音也很敏感。到目前为止，设计了高密度单芯片CMOS图像传感器。设计人员可以更轻松地应用图像，例如自动增益控制(AGC)、自动曝光控制(AEC)、自动平衡曹征(AMB)、gamma采样数、背景校正和自动黑色级别校正。所有颜色矩阵处理功能都集成在芯片上。CMOS图像传感器的优点是，通过I2C总线，芯片寄存

10、器可以在相机上编程，动态范围大、不浮动，并且几乎没有拖动阴影。4、CMOS APS的潜在优势和设计方法4.1 CMOSAPS优于CCD图像传感器的潜在优势CMOS APS优于CCD图像传感器的潜在优点包括1到5:(1)消除了电荷重复传递的麻烦，消除了辐射条件下电荷转移效率(CTE)的下降和减少。2)操作电流小，可以防止单个振动和信号闭合。3)集成电路芯片可以进行信号处理，因此可以进行核心跟踪、模式/数转换的自身曹征或电压漂移引起的辐射调整。关于硅探测器要解决的难题和论点是1 2:1)生物材料界面上辐射损伤引起的暗电流增加的问题。2)包含动态范围损失的临界漂移问题。3)模式/数转换电路中定时和控

11、制的信号锁定和奇摄动问题。4.2 CMOS APS设计方法CMOS APS设计方法如下：1)开发创新的像素结构以减少暗电流。(2)通过使用耐辐射的铸造方法反复开发最佳像素结构，中型“dumb”(哑巴)已经进行了低开发和开发。3)开发了自动调节自身电压Vt漂移和动态范围损失的芯片信号处理装置。4)开发和开发抗辐射(奇摄动环境)的定时和控制装置。5)辐射抗扰模式/数字转换器的研制和加固。6)寻找低温作业条件，以便在承受最大注射强度时找到并确认最佳作业温度。7)大型、完全数字化、耐辐射CMOS的开发和开发APS，用于生产。8)测试、评估和验证此设备的性能。9)引入当代最高级别的组合光通信/成像系统测

12、试站。5、像素电路结构设计目前设计的CMOS图像传感器像素结构包括气隙累积二极管(HAD)型结构、光电二极管被动像素结构、光电二极管主动像素结构、对数转换集成电路基础结构、埋地电荷积累和敏感晶体管阵列(BCAST)型结构、低压驱动埋地光电二极管(LV-bpd)型结构、以及5.1 CMOS PPS像素结构设计光电二极管CMOS手动像素传感器(CMOS Kpp)s)的结构从1967年韦克勒首次提出以来，本质上没有变化，如图1所示。由反向偏置光敏二极管和开关管组成。开关管打开时，光敏二极管与垂直杆连接。位于热线路末端的电荷积分放大器读出电路将热线路电压保持为常数，减少KTC噪声。当读取由光敏二极管存

13、储的信号电荷时，其电压重置为热线电压水平，与此同时，与光信号成比例的电荷从电荷积分放大器切换到电荷输出。使用单个管的PD CMOS PPS，可以在给定像素尺寸中设计最高的设计填充系数，或在给定设计填充系数中设计最小的像素尺寸。您也可以使用其他开关进行2d xy定址。由于高填充系数和许多CCD上没有多晶硅堆叠，因此CMOSKpps像素结构的杨紫效率很高。但是由于传输线路的电容很大，所以CMOSPPS读取噪音高，典型值为250个rms电子，是致命弱点。5.2 CMOS APS像素结构设计科学家很快发现，在发明了CMOS PPS像素结构的几乎同时，在像素内引入缓冲区或放大器可以提高像素性能。CMOS

14、图像传感器的成像设备以与CCD相同的方式将光子转换为电子，但是使用晶体管(晶体管)作为电荷感应放大器，而不是时钟驱动。某些CMOS图像传感器在每组像素的顶部有一个放大器，每个像素只有一个晶体管，用作阈值电流值开关。开关像素的电荷填充放大器，其过程类似于DRAM的读取电路，此传感器称为PPS。PPS的结构简单，填充系数高。每个元素不复盖多晶硅层，杨紫效率高，但PPS的读取干扰高，仅适用于小型阵列传感器。CMOS APS的每个像素内都有自己的放大器。CMOS APS的填充系数小于CMOS PPS，集成到表面的放大晶体管减少了像素元素的有效表面积，减少了“封装密度”，反射了40%到50%的入射光。该

15、传感器的另一个问题是，如何在传感器的多通道放大器之间创建更好的匹配，从而减少残留级别的固定图形噪声，实现得更好。Cmos APS像素内的每个放大器仅在此读取过程中发生，因此CMOS APS的功耗比CCD图像传感器小。Cmos-APS的填充系数比CMOS 73pps小，设计填充系数的典型值为20%到30%，接近内部转换CCD值。5.2.1光电二极管CMOS APS(PD CMOS APS)的像素结构1968年，nuble描述了PD CMOS APS。稍后，此像素结构得到了改进。图2显示了PD CMOS APS的像素结构。高性能CMOS APS最初于1994年由美国哥伦比亚学院桥电子工程和JPL

16、(JPL)开发，使用像素数量为128128，像素大小为40m40m，管芯大小为6.8mm6.8mm，1.2mCMOSn陷阱工艺进行原型制作，动态范围为72dB，固定图形噪声小于0.15%饱和信号水平。1997 * * * Toshiba开发了640480像素光电二极管CMOS APS，其像素大小为5.6m5.6m，具有彩色过滤胶片和微镜头阵列。2000年，美国Foveon公司和美国国家半导体公司使用0.18mCMOS工艺开发了迄今为止世界上纯度最高、分辨率最高的CMOS实体相机设备，其中包括4096像素CMOS 9 APS10、像素尺寸5m5m、管芯尺寸22mm等。我们详细介绍了CMOS APS的工作原理、开发现状和应用，其中包括6到8。感光表面没有多晶硅堆栈，因此PD KcmosKaps的杨紫效率很高，读取噪声通常受重置噪声的限制值为75 rms电子到100 rms电子。PD CMOS APS中的每个像素使用三个晶体管的典型像素间距为15m。PD CMOS APS适用于大多数低性能应用程序。5.2.2光栅CMOS APS(PG CMOS APS)的像素结构1993年，JPL首次开发了PG CMOS APS，是用于高性能科学图像的低光源图像。PG CMOS APS结合了CCD和xy寻址的