CMOS圖像傳感器的根本原理及設(shè)計(jì)摘

要：介紹CMOS圖像傳感器的根本原理、潛在優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)考慮。

關(guān)鍵詞：互補(bǔ)型金屬－氧化物－半導(dǎo)體圖像傳感器；無源像素傳感器；有源像素傳感器1引言

20世紀(jì)70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器同時(shí)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(hào)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(chǎng)上獨(dú)樹一幟。但最初市場(chǎng)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)量就可以到達(dá)或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時(shí)能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價(jià)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(huì)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)研制得到了極大的開展，并且隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的形成，其生產(chǎn)本錢也得到降低?，F(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)的改良，以及亞微米和深亞微米級(jí)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(gè)圖像系統(tǒng)。一個(gè)典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個(gè)圖像傳感器核心〔是將離散信號(hào)電平多路傳輸?shù)揭粋€(gè)單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似〕，所有的時(shí)序邏輯、單一時(shí)鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比方增益調(diào)節(jié)、積分時(shí)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(gòu)置了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個(gè)包括圖像陣列邏輯存放器、存儲(chǔ)器、定時(shí)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(gè)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(jià)格更低的優(yōu)點(diǎn)。

2根本原理

從某一方面來說，CMOS圖像傳感器在每個(gè)像素位置內(nèi)都有一個(gè)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(hào)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(duì)CMOS圖像傳感器的種種干擾。然而今天，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?，F(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(tái)先進(jìn)的CMOS攝像機(jī)所用的CMOS圖傳感器上，每一個(gè)像素中都設(shè)計(jì)并使用了6個(gè)晶體管，測(cè)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，為了防止這個(gè)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€(gè)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(huì)落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對(duì)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(gè)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(gè)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?huì)發(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(gè)像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差異，這種不均勻性就會(huì)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良，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(dòng)電路、指紋識(shí)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。

3設(shè)計(jì)考慮

然而，這個(gè)行業(yè)還有一個(gè)受到普遍關(guān)注的問題，那就是測(cè)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)。每一位工程師在比擬各種資料一覽表時(shí)，可能會(huì)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(dòng)態(tài)范圍或最大勢(shì)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(gè)參數(shù)對(duì)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(dòng)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)知道并用來比照的重要參數(shù)有：最大勢(shì)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)都是由那些根本量度推導(dǎo)出來的。對(duì)于像保安攝像機(jī)一類的低照度級(jí)的應(yīng)用，讀出噪聲和量子效應(yīng)最重要。然而對(duì)于象戶外攝影一類的中、高照度級(jí)的應(yīng)用，比擬大的最大勢(shì)阱容量就顯得更為重要。

動(dòng)態(tài)范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍是最大勢(shì)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(cè)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(jí)〔事實(shí)上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號(hào)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(hào)電平的主要噪聲來源。而SNRDARK得到說明，實(shí)際上與動(dòng)態(tài)范圍沒有什么兩樣。數(shù)字信噪比或數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍是另一個(gè)容易引起混淆的概念，它說明的只是模擬/數(shù)字〔A/D〕轉(zhuǎn)換器的一個(gè)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(shí)我們也應(yīng)清楚地認(rèn)識(shí)到，當(dāng)圖像傳感器具有多個(gè)可調(diào)模擬增益設(shè)置時(shí)，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率不會(huì)對(duì)圖像傳感器的動(dòng)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)攝像管只能在局部范圍內(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(cè)量圖像傳感器的對(duì)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。假設(shè)你選擇了一個(gè)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(jiǎn)單：0.85cm光學(xué)尺寸的圖像傳感器的價(jià)格要比1.27cm光學(xué)尺寸的圖像傳感器的價(jià)格低得多，但是這對(duì)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(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是它只要求一個(gè)單電壓來驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置。不過設(shè)計(jì)者仍應(yīng)謹(jǐn)慎地布置電路板驅(qū)動(dòng)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別離開以防止串?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(gè)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(hào)相當(dāng)小，而且對(duì)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(dòng)增益控制〔AGC〕、自動(dòng)曝光控制〔AEC〕、自動(dòng)平衡〔AMB〕、伽瑪樣正、背景補(bǔ)償和自動(dòng)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存放器通過I2C總線對(duì)攝像機(jī)編程，具有動(dòng)態(tài)范圍寬、抗浮散且?guī)缀鯖]有拖影的優(yōu)點(diǎn)。4CMOS-APS的潛在優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法

4．1CMOS-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(dòng)和信號(hào)閉鎖。

3〕在集成電路芯片中可進(jìn)行信號(hào)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(cè)器有關(guān)，需要解決的難題和爭(zhēng)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(dòng)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(shí)和控制中的信號(hào)閉鎖和單一擾動(dòng)問題。

4．2CMOS-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)最正確像素結(jié)構(gòu)〕。3〕研制在芯片上進(jìn)行信號(hào)處理的器件，以適應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)本身電壓Vt的漂移和動(dòng)態(tài)范圍的損失。

4〕研制和開發(fā)耐輻射〔單一擾動(dòng)環(huán)境〕的定時(shí)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(shí)，找到并證實(shí)最正確的工作溫度。

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(cè)試、評(píng)價(jià)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(cè)試臺(tái)。

5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(duì)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(dòng)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。

5．1CMOSPPS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(gè)反向偏置的光敏二極管和一個(gè)開關(guān)管構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)管開啟時(shí)，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(hào)電荷被讀出時(shí)，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)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(gè)開關(guān)管也可以采用，以實(shí)現(xiàn)二維的XY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(gè)均方根電子，這是致命的弱點(diǎn)。

5．2CMOS-APS的像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾乎在CMOS-PPS像素結(jié)構(gòu)創(chuàng)造的同時(shí)，科學(xué)家很快認(rèn)識(shí)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(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，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(gè)放大器，每個(gè)像素只有一個(gè)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(jiǎn)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，集成在外表的放大晶體管減少了像素元件的有效外表積，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(gè)問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低剩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(gè)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。

5．2．1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)有所改良。PD-CMOS-APS的像素結(jié)構(gòu)如圖2所示。

高性能CMOSAPS由美國(guó)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(dòng)態(tài)范圍為72dB,固定圖形噪聲小于0.15％飽和信號(hào)水平。固定圖形噪聲小于0.15％飽和信號(hào)水平。1997年日本東芝公司研制成功了640×480像素光敏二極管型CMOSAPS，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(guó)Foveon公司與美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司采用0.18μmCMOS工藝研制成功4096×4096像素CMOSAPS[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)CMOSAPS的工作原理、開展現(xiàn)狀及其應(yīng)用，筆者已作過詳細(xì)介紹[6]～[8]。

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(gè)像素采用3個(gè)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。

5．2．2光柵型CMOSAPS(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XY尋址的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

光柵信號(hào)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(hào)電荷轉(zhuǎn)移到擴(kuò)散點(diǎn)，復(fù)位電壓水平與信號(hào)電壓水平之差就是傳感器的輸出信號(hào)。

當(dāng)采用雙層多晶硅工藝時(shí)，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(gè)電子的拖影。

光柵型CMOSAPS每個(gè)像素采用5個(gè)晶體管，典型的像素間距為20μm〔最小特征尺寸〕。采用0.25μmCMOS工藝將允許到達(dá)5μm的像素間距。浮置擴(kuò)散電容的典型值為10－14F量級(jí)，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)分為兩大局部，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(duì)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(shí)，還要有較深的理論知識(shí)。這個(gè)時(shí)代對(duì)設(shè)計(jì)者來說是一個(gè)令人興奮和充滿挑戰(zhàn)的時(shí)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(chǔ)大量的低分辨率圖像，那就不要選擇一個(gè)能夠提供優(yōu)質(zhì)圖像但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)以致于無法存儲(chǔ)的高分辨率圖像傳感器?，F(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(chǔ)介質(zhì)就包括PCMCIA卡、東芝〔Toshiba〕的速閃存儲(chǔ)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(duì)樣品進(jìn)行細(xì)致的性能評(píng)估。

5．3CCD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(duì)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(shí)，除設(shè)計(jì)光敏感局部〔即CCD圖像傳感器〕外，還要考慮設(shè)計(jì)提供信號(hào)和圖像處理的功能電路，即信號(hào)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圖像傳感器那么不同，特別是CMOSAPS可以將所有的功能電路與光敏感局部〔光電二極管〕同時(shí)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，本錢低、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擬大，近來由于改良了電路設(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(jìng)爭(zhēng)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(shí)，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CMOSAPS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。霍爾器件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,已開展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族,并已得到廣泛的應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹其工作原理、產(chǎn)品特性及其典型應(yīng)用。圖39霍爾電流傳感器在逆變器中的應(yīng)用

〔CS為霍爾電流傳感器〕圖40霍爾電流傳感器在UPS中的應(yīng)用

〔1、2、3均為霍爾電流傳感器〕圖41霍爾電流傳感器在電子點(diǎn)焊機(jī)中的應(yīng)用.3在逆變器中的應(yīng)用

在逆變器中，用霍爾電流傳感器進(jìn)行接地故障檢測(cè)、直接側(cè)和交流側(cè)的模擬量傳感，以保證逆變器能平安工作。應(yīng)用線路如圖39所示。

3.2.12.4在不間斷電源中的應(yīng)用

如圖40所示，霍爾電流傳感器1發(fā)出信號(hào)并進(jìn)行反應(yīng)，以控制晶閘管的觸發(fā)角，電流傳感器2發(fā)出的信號(hào)控制逆變器，傳感器3控制浮充電源。用霍爾電流傳感器進(jìn)行控制，保證逆變電源正常工作。由于其響應(yīng)速度快，特別適用于計(jì)算機(jī)中的不間斷電源。

3.2.12.5在電子點(diǎn)焊機(jī)中的應(yīng)用

在電子點(diǎn)焊機(jī)電源中，霍爾電流傳感器起測(cè)量和控制作用。它的快速響應(yīng)能再現(xiàn)電流、電壓波形，將它們反應(yīng)到可控整流器A、B，可控制其輸出。用斬波器給直流迭加上一個(gè)交流，可更精確地控制電流。用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，既可測(cè)量電流的真正瞬時(shí)值，，又不致引入損耗，如圖41所示。

3.2.12.6用于電車斬波器的控制

電車中的調(diào)速是由調(diào)整電壓實(shí)現(xiàn)的。將霍爾電流傳感器和其它元件配合使用，并將傳感器的所有信號(hào)輸入控制系統(tǒng)，可確保電車正常工作。其控制原理示圖42霍爾電流傳感器在電車斬波器中的應(yīng)用圖43在變頻調(diào)速電機(jī)中的應(yīng)用

〔I，R，S，T均為霍爾電流傳感器〕圖44用于電能管理的霍爾電流傳感器圖45霍爾接地故障檢測(cè)器的原理和結(jié)構(gòu)于圖42。圖中，SCR1是主串聯(lián)晶閘管，SCR2為輔助晶閘管，Lo、Co組成輸入濾波器，Ls是平滑扼流圈，M1～M5是霍爾電流傳感器。

.7在交流變頻調(diào)速電機(jī)中的應(yīng)用

用變頻器來對(duì)交流電機(jī)實(shí)施調(diào)速，在世界各興旺國(guó)家已普遍使用，且有取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。用變頻器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，可節(jié)省10％以上的電能。在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間短于1μs，因此，出現(xiàn)過載短路時(shí)，在晶全管未到達(dá)極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)，如圖43所示。

3.2.12.8用于電能管理

圖44給出一種用于電能管理的電流傳感器的示意圖。圖中，12是通電導(dǎo)線，11是導(dǎo)磁材料帶，17是霍爾元件，19是霍爾元件的輸入、輸出引線。由此構(gòu)成的電流傳感器，可安裝到配電線路上進(jìn)行負(fù)載管理?；魻柶骷妮敵龊陀?jì)算機(jī)連接起來，對(duì)用電情況進(jìn)行監(jiān)控，假設(shè)發(fā)現(xiàn)過載，便及時(shí)使受控的線路斷開，保證用電設(shè)備的平安。用這種裝置，也可進(jìn)行負(fù)載分配及電網(wǎng)的遙控、遙測(cè)和巡檢等。

3.2.12.9在接地故障檢測(cè)中的應(yīng)用

在配電和各種用電設(shè)備中，可靠的接地是保證配電和用電設(shè)備平安的重要措施。采用霍爾電流傳感器來進(jìn)行接地故障的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可保證用電平安。圖45示出一種霍爾接地故障監(jiān)測(cè)裝置。

3.2.12.10在電網(wǎng)無功功率自動(dòng)補(bǔ)償中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)無功功率的自動(dòng)補(bǔ)償，是指補(bǔ)償容量隨負(fù)荷和電壓波動(dòng)而變化，及時(shí)準(zhǔn)確地投入和切除電容器，防止補(bǔ)償過程中出現(xiàn)過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償?shù)牟缓侠砗筒唤?jīng)濟(jì)，使電網(wǎng)的功率因數(shù)始終保持最正確。無功功率的自動(dòng)采樣假設(shè)用霍爾電流、電壓傳感器來進(jìn)行，在保證“及時(shí)、準(zhǔn)確〞上具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗鼈兊捻憫?yīng)速度快，且無相位差，如圖46所示。圖46電網(wǎng)無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器的原理框圖.14霍爾鉗形電流表

將磁芯做成張合結(jié)構(gòu)，在磁芯開口處放置霍爾器件，將環(huán)形磁芯夾在被測(cè)電流流過的導(dǎo)線外，即可測(cè)出其中流過的電流。這種鉗形表既可測(cè)交流也可測(cè)直流。圖48示出一種數(shù)字鉗形交流電流表的線路。

用鉗形表可對(duì)各種供電和用電設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)電流檢測(cè)。

3.2.13電功率測(cè)量

使負(fù)載電壓變換，令其與霍爾器件的工作電流成比例，將負(fù)載電流通入磁芯繞組中，作為霍爾電流傳感器的被測(cè)電流，即可構(gòu)成霍爾功率計(jì)。由霍爾器件輸出的霍爾電壓來指示功率，其工作原理如圖49所示。

3.2.12.11在電力工頻諧波分析儀中的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的諧波含量用電力工頻諧波儀來進(jìn)行測(cè)試。為了將被測(cè)電壓和電流變換成適合計(jì)算機(jī)A/D采樣的電壓，將各種電力工頻諧波分析儀的取樣裝置，如電流互感器、電壓互感器、電阻取樣與光隔離耦合電路等和霍爾電流傳感取樣測(cè)試比照，結(jié)果說明霍爾電流傳感器最為適用。比照結(jié)果如表8所示。表8電力工頻諧波分析儀中使用的3種接口部件

的比擬〔LEM模塊是一種霍爾零磁通電流傳感器〕CT和PT電阻取樣與光耦隔離電路LEM模塊線性度－<0.5％<0.1％頻率范圍較窄0～30kHz0～100kHz對(duì)各次諧波幅度有否衰減及衰減一致性有，不一致無無對(duì)各次諧波有否相移及相移一致性有，不一致很小，可以忽略很小，可以忽略所需電源不需要二組一組輔助電路無恒溫電路無體積大大小重量重輕輕安裝是否方便不便不便方便調(diào)試難易程度容易較難容易接口部件性能、特點(diǎn).12在開關(guān)電源中的應(yīng)用近代出現(xiàn)的開關(guān)電源，是將電網(wǎng)的非穩(wěn)定的交流電壓變換成穩(wěn)定的直流電壓輸出的功率變換裝置。無論是電壓控制型還是電流控制型開關(guān)電源，均采用脈沖寬度調(diào)制，借助驅(qū)動(dòng)脈沖寬度與輸出電壓幅值之間存在的某種比例關(guān)系來維持恒壓輸出。其中，寬度變化的脈沖電壓或電流的采樣、傳感等均需用電流、電壓傳感器來完成。霍爾電流、電壓傳感器以其頻帶寬、響應(yīng)時(shí)間快以及安裝簡(jiǎn)便而成為首選的電流、電壓傳感器。

3.2.12.13在大電流檢測(cè)中的應(yīng)用

在冶金、化工、超導(dǎo)體的應(yīng)用以及高能物理〔例如可控核聚變〕試驗(yàn)裝置中都有許多超大型電流用電設(shè)備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器來進(jìn)行大電流的測(cè)量和控制，既可滿足測(cè)量準(zhǔn)確的要求，又不引入插入損耗，還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴的測(cè)試裝置。圖47示出一種用于DⅢ－D托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置。采用這種霍爾電流傳感器，可檢測(cè)高到達(dá)300kA的電流。圖47〔a〕為G－10安裝結(jié)構(gòu)，中心為電流匯流排，(b)為電纜型多霍爾探頭，(c)為霍爾電壓放大電路。

(a)G10安裝結(jié)構(gòu)(b)電纜型多霍爾探頭(c)霍爾電壓放大電路

圖47多霍爾探頭大電流傳感器圖48霍爾鉗形數(shù)字電流表線路示意圖圖49霍爾功率計(jì)原理圖(a)霍爾控制電路

(b)霍爾磁場(chǎng)電路

圖50霍爾三相功率變送器中的霍爾乘法器圖51霍爾電度表功能框圖圖52霍爾隔離放大器的功能框圖.1霍爾三相功率變送器

利用霍爾器件的乘法器功能，還可構(gòu)成三相功率變送器，用以檢測(cè)三相平衡或不平衡負(fù)載電路的三