CMOS图像传感器的基本原理及设计(整理)

CMOS图像传感器的底子道理及设计
摘要：介绍CMOS图像传感器的底子道理、潜在长处、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，敏感组件和信号处置电路不克不及集成在同一芯片上，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错误谬误，图像质量还无法与CCD图像传感器比拟。

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图像传感器的程度，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等长处，如此，CMOS图像传感器代替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开展，而且随着经济规模的形成，其出产成本也得到降低。

此刻，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，比方增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。

事实上，当一位设计者购置了
CMOS图像传感器后，他得到的是一个包罗图像阵列逻辑存放器、存储器、按时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。

与传统的CCD图像系统比拟，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长处。

2底子道理
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图像传感器的长处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，噪声性能很不抱负，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。

此刻，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。

不外，随着像素内电路数量的不竭增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了防止这个比例〔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标的目的，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长处就是它的防光晕特性。

在像素位置内发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发生的光晕现象。

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图像传感器的布局设计和制造工艺的不竭改进，这种效应已经得到显着弱化。

这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的处所此刻也变得可行了，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遍及存眷的问题，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尺度。

每一位工程师在比较各种资料一览表时，可能会发此刻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，而且尽可能充实操纵多产物的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需要存眷的，包罗信噪比、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。

应当知道并用来比照的重要参数有：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底子量度推导出来的。

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，它说明的只是模拟/数字〔A/D〕转换器的一个特性。

虽然这可能很重要，但它并不克不及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发生限制。

CMOS图像传感器的一个很大的长处就是它只要求一个单电压来驱动整个装置。

不外设计者仍应谨慎地安插电路板驱动芯片。

按照实际要求，数字电压和模拟电压之间尽可能地别离开以防止串扰。

因此良好的电路板设计，接地和屏蔽就显得非常重要。

尽管这种图像传感器是一个CMOS装置并具有尺度的输入/输出〔I/O〕电压，但它实际的输入信号相当小，而且对噪声也很敏感。

到目前为止，已设计出高集成度单芯片CMOS图像传感器。

设计者力求使有关图像的应用更容易实现多功能，包罗自动增益控制〔AGC〕、自动曝光控制〔AEC〕、自动平衡〔AMB〕、伽玛样正、布景抵偿和自动黑电平校正。

所有的彩色矩阵处置功能都集成在芯片中。

CMOS图像传感器允许片上的存放器通过I2C总线对摄像机编程，具有动态范围宽、抗浮散且几乎没有拖影的长处。

4CMOS-APS的潜在长处和设计方法
4．1CMOS-APS胜过CCD图像传感器的潜在长处
CMOS APS胜过CCD图像传感器的潜在长处包罗 [1]～[5]：
1〕消除了电荷反复转移的麻烦，免除了在辐射条件下电荷转移效率〔CTE〕的退化和下降。

2〕工作电流很小，可以防止单一振动和信号闭锁。

3〕在集成电路芯片中可进行信号处置，因此可提供芯迹线，模/数转换的自调节，也能提供由电压漂移引起的辐射调节。

与硅探测器有关，需要解决的难题和争论点包罗 [1]～[2]：
1〕在体材料界面由于辐射损伤而发生的暗电流的增加问题。

2〕包罗动态范围损掉的阈值漂移问题。

3〕在模/数转换电路中，按时和控制中的信号闭锁和单一扰动问题。

4．2CMOS-APS的设计方法
CMOS-APS的设计方法包罗：
1〕为了降低暗电流而进行研制创新的像素布局。

2〕使用耐辐射的锻造方法，再研制和开发中等尺寸“dumb〞〔哑〕成像仪〔通过反复地开发最正确像素布局〕。

3〕研制在芯片长进行信号处置的器件，以适应自动调节本身电压Vt的漂移和动态范围的损掉。

4〕研制和开发耐辐射〔单一扰动环境〕的按时和控制装置。

5〕研制和加固耐辐射的模/数转换器。

6〕寻找低温工作条件，以便在承受最大幅射强度时，找到并证实最正确的工作温度。

7〕研制和开发大尺寸、全数字化、耐辐射的CMOS-APS，以便出产。

8〕测试、评价和鉴定该器件的性能。

9〕引入当代最高程度的组合式光学通信/成像系统测试台。

5像素电路布局设计
目前，已设计的CMOS图像传感器像素布局有：空隙堆集二极管〔HAD〕型布局、光电二极管型无源像素布局、光电二极管型有源像素布局、对数变换积分电路型布局、掩埋电荷堆集和敏感晶体管阵列〔BCAST〕型布局、低压驱动掩埋光电二极管〔LV－BPD〕型布局、深P阱光电二极管型布局、针型光电二极管〔PPD〕布局和光栅型有源像素布局等。

5．1CMOS PPS像素布局设计
光电二极管型CMOS无源像素传感器〔CMOS-PPS〕的布局自从1967年Weckler初次提出以来本色上一直没有变化，其布局如图1所示。

它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。

当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线连通。

位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数，并减小KTC噪声。

当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压程度，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

单管的PD-CMOS-PPS允许在给定的像素尺寸下有最高的设计填充系数，或者在给定的设计填充系数下，可以设计出最小的像素尺寸。

别的一个开关管也可以采用，以实现二维的X Y寻址。

由于填充系数高且没有许多CCD中多晶硅叠层，CMOS-PPS 像素布局的量子效率较高。

但是，由于传输线电容较大，CMOS-PPS读出噪声较高，典
型值为250个均方根电子，这是致命的弱点。

5．2CMOS-APS的像素布局设计
几乎在CMOS-PPS像素布局缔造的同时，科学家很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能。

虽然CMOS图像传感器的成像装置将光子转换为电子的方法与CCD不异，但它不是时钟驱动，而是由晶体三极管作为电荷感应放大器。

在一些CMOS图像传感器中，每组像素的顶端有一个放大器，每个像素只有一个作为阈值电流值开关的三极管。

开关像素中的电荷为放大器充电，其过程类似DRAM中的读取电路，这种传感器被称为PPS。

PPS的布局很简单，它具有高填充系数。

各像元没有很多的多晶硅层覆盖，其量子效率很高，但是PPS的读取干扰很高，只适应于小阵传记感器。

在CMOS-APS中每一像素内都有本身的放大器。

CMOS-APS的填充系数比CMOS-PPS的小，集成在外表的放大晶体管减少了像素组件的有效外表积，降低了“封装密度〞，使40％～50％的入射光被反射。

这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残剩程度的固定图形噪声较好地实现。

由于CMOS-APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以CMOS-APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

与CMOS-PPS比拟，CMOS－APS的填充系数较小，其设计填充系数典型值为20％～30％，接近内线转换CCD的值。

5．2．1光敏二极管CMOS-APS〔PD-CMOS-APS〕的像素布局
1968年，Noble描述了PD-CMOS-APS。

后来，这种像素布局有所改进。

PD-CMOS-APS 的像素布局如图2所示。

高性能CMOS APS由美国哥伦比亚大学电子工程系和喷气推进尝试室〔JPL〕在1994年初次研制成功，像素数为128×128，像素尺寸为40μm×40μm，管芯尺寸
为6.8mm×6.8mm，采用1.2μmCMOSn阱工艺试制，动态范围为72dB,固定图形噪声小于0.15％饱和信号程度。

固定图形噪声小于0.15％饱和信号程度。

1997年日本东芝公司研制成功了640×480像素光敏二极管型CMOS APS，其像素尺寸为
5.6μm×5.6μm,具有彩色滤色膜和微透镜阵列。

2000年美国Foveon公司与美国国家半导体公司采用0.18μmCMOS工艺研制成功4096×4096像素CMOS APS[10]，像素尺寸为5μm×5μm，管芯尺寸为22mm×22mm，这是迄今为止世界上集成度最高、分辨率最高的CMOS固体摄像器件。

有关CMOS APS的工作道理、开展现状及其应用，笔者已作过详细介绍[6]～[8]。

因为光敏面没有多晶硅叠层，PD-CMOS-APS的量子效率较高，它的读出噪声由复位噪声限制，典型值为75均方根电子～100均方根电子。

PD-CMOS-APS的每个像素采用3个晶体管，典型的像元间距为15μm。

PD-CMOS-APS适宜于大大都低性能应用。

5．2．2光栅型CMOS APS(PG-CMOS-APS)的像素布局
1993年由JPL最早研制成功PG-CMOS-APS并用于高性能科学成像的低光照明成像。

PG-CMOS-APS结合了CCD和X Y寻址的长处，其布局如图3所示。

光栅信号电荷积分在光栅〔PG〕下，浮置扩散点〔A〕复位〔电压为VDD〕，然后改变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷转移到扩散点，复位电压程度与信号电压程度之差就是传感器的输出信号。

当采用双层多晶硅工艺时，PG与转移栅〔TX〕之间要得当交叠。

在光栅与转移栅之间插入扩散桥，可以采用单层多晶硅工艺，这种扩散桥要引起大约100个电子的拖影。

光栅型CMOS APS每个像素采用5个晶体管，典型的像素间距为20μm〔最小特征
尺寸〕达到5μm的像素间距。

浮置扩散电容的典型值为10－14F量级，发生20μV/e 的增益，读出噪声一般为10均方根电子～20均方根电子，已有读出噪声为5均方根电子的报道。

CMOS图像传感器的设计分为两大局部，即电路设计和工艺设计，CMOS图像传感器的性能好坏，不仅与材料、工艺有关，更重要的是取决于电路设计和工艺流程以及工艺参数设计。

这对设计人员提出更高的要求，设计人员面要宽，在设计中，不单要懂电路、工艺、系统方面的常识，还要有较深的理论常识。

这个时代对设计者来说是一个令人兴奋和充满挑战的时代。

计算机辅助设计技术为设计者提供了极大的便利，但图像系统的用途以及目标用户的范围由制造商决定。

如果用户装有Windows95的系统，那么就要确定图像系统不是Windows98的。

如果你只是为了获取并存储大量的低分辨率图像，那就不要选择一个能够提供优质图像但同时会发生更大都据以致于无法存储的高分辨率图像传感器。

此刻还存在许多非尺度的接口系统。

此刻仅供数字相机所使用可装卸存储介质就包罗 PCMCIA卡、东芝〔Toshiba〕的速闪存储器及软磁盘。

重要的是，要按照产物未来地点的工作环境，对样品进行细致的性能评估。

5．3CCD和CMOS系统的设计
CCD图像传感器和CMOS图像传感器在设计上各不不异，对于CCD图像传感器，不克不及在同一芯片上集成所需的功能电路。

因此，在设计时，除设计光敏感局部〔即CCD图像传感器〕外，还要考虑设计提供信号和图像处置的功能电路，即信号读出和处置电路，这些电路需要在别的的基片上制备好后才能组装在CCD图像传感器的外围；而CMOS图像传感器那么不同，出格是CMOS APS可以将所有的功能电路与光敏感局部〔光电二极管〕同时集成在同一基片上，制作成高度集成化的单芯片摄像系统。

与前者比拟，成本低、制备容易、体积小、微型化、功耗低，虽然开始有人认为光照灵敏度不如CCD图像传感器的高，而且暗电流和噪声比较大，近出处于改进了电路设计，采用亚微米和深亚微米光刻技术，使CMOS图像传感器的性能得到改善。

已经具备与CCD图像传感器进行竞争的条件，21世纪，CMOS摄像器件将成为信息获取与处置领域的佼佼者。

到那时，单芯片摄像机和单芯片数码相机将进入千家万户。

这些都
得益于CMOS APS为人们提供了高度集成化的系统，如图4所示。

图5示出CMOS数码相机的框图，从中可见数码相机设计的复杂性。

霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已开展成一个品种多样的磁传感器产物族,并已得到广泛的应用。

本文简要介绍其工作道理、产物特性及其典型应用。

图39霍尔电传播感器在逆变器中的应用
〔CS为霍尔电传播感器〕
图40霍尔电传播感器在UPS中的应用
〔1、2、3均为霍尔电传播感器〕
图41霍尔电传播感器在电子点焊机中的应用图42霍尔电传播感器在电车斩波器中的应用
图43在变频调速电机中的应用
〔I，R，S，T均为霍尔电传播感器〕
图44用于电能办理的霍尔电传播感器
图45霍尔接地故障检测器的道理和布局
图46电网无功功率自动抵偿控制器的道理框图
表8电力工频谐波阐发仪中使用的3种接口部件
的比较〔LEM模块是一种霍尔零磁通电传播感器〕
CT和PT 电阻取样与光耦隔离电
路
LEM模块
线性度－<0.5％<0.1％
频率范围较窄0～30kHz 0～100kHz
对各次谐波幅度有否衰减及衰减一致性有，不一
致
无无
对各次谐波有否相移及相移一致性有，不一
致
很小，可以忽略
很小，可以忽
略
所需电源不需要二组一组
辅助电路无恒温电路无
体积大大小
重量重轻轻
安装是否便利不便不便便利
调试难易程度容易较难容易
开关电源中的应用近代呈现的开关电源，是将电网的非不变的交流电压变换成不变的直流电压输出的功率变换装置。

无论是电压控制型还是电流控制型开关电源Ⅲ－D托卡马克中的霍尔电传播感器装置。

采用这种霍尔电传播感器，可检测高达到300kA的电流。

图47〔a〕为G－10安装布局，中心为电流汇流排，(b)为电缆型多霍尔探头，(c)为霍尔电压放大电路。

(a)G10安装布局(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路
图47多霍尔探头大电传播感器
图48霍尔钳形数字电流表线路示意图
图49霍尔功率计道理图
(a)霍尔控制电路
(b)霍尔磁场电路
图50霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器
图51霍尔电度表功能框图
图52霍尔隔离放大器的功能框图
CMOS图像传感器的前途是光明的，随着多媒体、数字电视、可视通讯等市场的增加，CMOS图像传感器的应用前景更加广阔。

CMOS APS为MIS/CCD图像传感器设计提供了另一选择方案，它把电荷转换成电压所需的晶体管装在每个像素内。

在这种器件内均不必进行电荷转移，因为数据读取是在单个像素内完成的。

与CCD图像传感器比拟，这种器件有很成熟的CMOS集成电路工艺，在降低成本方面有潜力。

预期CMOS APS在许多非科学应用领域内将最终替代CCD图像传感器。

内容总结
〔1〕CMOS图像传感器的底子道理及设计
摘要：介绍CMOS图像传感器的底子道理、潜在长处、设计方法以及设计考虑
〔2〕不外，随着像素内电路数量的不竭增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了防止这个比例〔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标的目的，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。