CMOS图像传感器简介

2020-12-29

图像传感器是数字成像系统中的主要组成部分(fēn)之一，并强烈影响整个系统的性能(néng)。图像传感器的两种主要类型是電(diàn)荷耦合器件（CCD）和CMOS成像器。在本文(wén)中，我们将介绍CMOS图像传感器的基础知识。

查看我们的電(diàn)荷耦合器件（CCD）图像传感器系列。您可(kě)以从CCD的结构和功能(néng)开始。

CMOS光電(diàn)探测器

大多(duō)数CMOS光電(diàn)检测器基于PN结光電(diàn)二极管的操作。当光電(diàn)二极管反向偏置（并且反向電(diàn)压小(xiǎo)于雪(xuě)崩击穿電(diàn)压）时，与入射光强度成比例的電(diàn)流分(fēn)量将流过二极管。该電(diàn)流分(fēn)量通常被称為(wèi)光電(diàn)流。

由于光電(diàn)流随光强度線(xiàn)性增加，因此我们可(kě)以使用(yòng)光電(diàn)二极管来构建光检测器。这种光检测结构的抽象表示如下所示。

（a）光電(diàn)探测器的示意图（b）光電(diàn)流值的变化与时间的关系。 

重置开关在曝光周期开始时闭合，以将光電(diàn)二极管反向偏置到VD電(diàn)压。接下来，开关断开，并产生与入射光强度成比例的光電(diàn)流。该電(diàn)流在毫微微安至皮安的范围内，并且太小(xiǎo)而无法直接测量。如果我们让光電(diàn)二极管在设定的时间段内曝光，则電(diàn)流将在二极管電(diàn)容CD上积分(fēn)。存储的電(diàn)荷為(wèi)我们提供了更容易测量的更强的累积信号。此外，合并的平均过程使累积的信号更真实地表示所测得的光强度，尤其是在处理(lǐ)微弱或嘈杂的信号时。

请注意，阱容量Qwell设置CD可(kě)以容纳的電(diàn)荷量的上限。超过一定的光强度时，二极管将饱和，并且累积電(diàn)荷将等于上图所示的最大值。因此，必须仔细选择整合期。 

应该考虑的另一个非理(lǐ)想效应是，除了光電(diàn)流之外，还有(yǒu)另一个電(diàn)流分(fēn)量称為(wèi)暗電(diàn)流流过二极管。暗電(diàn)流是在没有(yǒu)光的情况下产生的電(diàn)流。必须最小(xiǎo)化此電(diàn)流分(fēn)量以最大化器件灵敏度。

CMOS图像传感器的框图

CMOS图像传感器的基本结构如下所示。

光電(diàn)探测器的二维阵列用(yòng)于感测入射光强度。光電(diàn)探测器产生的電(diàn)荷被转换成電(diàn)压信号，并通过“行选择”和“列选择”开关阵列传递到输出放大器。ADC用(yòng)于数字化放大后的信号。

為(wèi)了执行读出，将给定行的像素值并行地传送到一组存储電(diàn)容器（未在上面示出），然后，顺序地读出这些传送的像素值。

上图显示了APS（有(yǒu)源像素传感器）架构。在APS设备中，每个像素位置不仅包含光電(diàn)二极管，而且包含放大器。称為(wèi)PPS（无源像素传感器）的更简单的體(tǐ)系结构没有(yǒu)将放大器集成到像素中。在DPS（数字像素传感器）设备中，每个像素都有(yǒu)自己的模数转换器和存储块。因此，DPS體(tǐ)系结构中的像素输出与光强度成比例的数字值。

DPS或示意图像素传感器的示意图。

CMOS图像传感器的优缺点

顾名思义，CMOS图像传感器采用(yòng)标准CMOS技术制造。这是一个主要优点，因為(wèi)它使我们能(néng)够将传感器与成像系统所需的其他(tā)模拟和数字電(diàn)路集成在一起。集成解决方案使我们能(néng)够降低功耗并提高读出速度。其他(tā)图像传感器技术（例如電(diàn)荷耦合器件（CCD））则不是这种情况，这些技术基于针对電(diàn)荷转移和成像进行了优化的专用(yòng)制造技术。    

CMOS图像传感器的缺点在于，读出路径中有(yǒu)多(duō)个有(yǒu)源器件会产生随时间变化的噪声。此外，制造上的不一致会导致不同像素的電(diàn)荷電(diàn)压放大器之间的失配。这将导致固定模式的噪声，即使将不同的像素暴露在均匀的照明下，它们也会产生不同的值。

反向偏置的光電(diàn)二极管产生的電(diàn)流分(fēn)量与入射光强度成正比。这些光電(diàn)探测器的二维阵列可(kě)用(yòng)于实现CMOS图像传感器。CMOS图像传感器中的像素可(kě)能(néng)具有(yǒu)不同的复杂度。例如，CMOS图像传感器的像素不仅可(kě)以包含光電(diàn)二极管，而且可(kě)以包含放大器。DPS（数字像素传感器）设备使用(yòng)更复杂的像素，其中每个像素都有(yǒu)自己的模数转换器和存储块。

CMOS图像传感器的最重要优点是可(kě)以将传感器与成像系统所需的其他(tā)模拟和数字電(diàn)路集成在一起。可(kě)能(néng)会降低CMOS图像传感器性能(néng)的两个噪声源是：不同像素的组件之间的制造失配以及读出路径中有(yǒu)源器件产生的噪声。