1、CMOS圖像傳感器的基本原理和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)1，簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器一起啟動(dòng)。CCD圖像傳感器由于高靈敏度低噪聲逐漸成為圖像傳感器的主流。但是，由于流程原因，敏感組件和信號(hào)處理電路沒有集成到同一個(gè)芯片上，由CCD圖像傳感器組裝的攝像機(jī)體積大，功耗大。CMOS圖像傳感器在體積小、功耗低的圖像傳感器市場(chǎng)上是獨(dú)一無(wú)二的。但是，早期市場(chǎng)上的CMOS圖像傳感器還沒有擺脫低光照靈敏度和低圖像分辨率的缺點(diǎn)，圖像質(zhì)量還不能與CCD圖像傳感器相媲美。通過將CMOS圖像傳感器的光照靈敏度提高5-10倍，進(jìn)一步降低噪音，CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量可以保持小于或超過CCD圖像傳感

2、器水平的小尺寸、輕重量、低功耗、高強(qiáng)度、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，因此CMOS圖像傳感器將取代CCD圖像傳感器。由于CMOS圖像傳感器的應(yīng)用，下一代圖像系統(tǒng)的開發(fā)有了很大的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的增長(zhǎng)，生產(chǎn)成本也降低了。現(xiàn)在，CMOS圖像傳感器的屏幕質(zhì)量也能與CCD圖像傳感器相媲美，主要是因?yàn)閳D像傳感器芯片設(shè)計(jì)的改進(jìn)，以及子微米和深亞微米設(shè)計(jì)增加了像素內(nèi)部的新功能。實(shí)際上，CMOS圖像傳感器必須是圖像系統(tǒng)。典型的CMOS圖像傳感器通常包括將單個(gè)信號(hào)級(jí)別多路傳輸?shù)絾蝹€(gè)輸出的圖像傳感器核心(與CCD圖像傳感器非常相似)、增益曹征、集成時(shí)間、窗口和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器等所有時(shí)序邏輯、單時(shí)鐘和芯片可編程功能。實(shí)際上，如果

3、一名設(shè)計(jì)人員購(gòu)買了CMOS圖像傳感器，他將獲得所有系統(tǒng)，包括圖像陣列邏輯寄存器、內(nèi)存、定時(shí)脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器。與傳統(tǒng)CCD映像系統(tǒng)相比，將整個(gè)映像系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上不僅降低了功耗，還減輕了重量，減少了占地面積，并且總體價(jià)格更低。2、基本原理在某些方面，CMOS圖像傳感器在每個(gè)像素位置都有放大器，因此在極低的帶寬下將離散電荷信號(hào)包轉(zhuǎn)換為電壓輸出，只需在幀速率下重置即可。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是帶寬低，信噪比增加。由于制造過程的限制，以前的CMOS圖像傳感器無(wú)法將放大器放置在像素位置內(nèi)。此技術(shù)稱為PPS，噪音性能不理想，會(huì)干擾CMOS圖像傳感器。但是，隨著制作過程的增加，在像素內(nèi)部添加復(fù)雜

4、功能的想法成為可能?，F(xiàn)在，在像素位置內(nèi)添加了多種附加功能，例如電子開關(guān)、互阻抗放大器和用于減少固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路和噪聲消除。實(shí)際上，在Conexant(以前的Rockwell半導(dǎo)體公司)的高級(jí)CMOS攝像機(jī)中使用的CMOS地圖傳感器中，每個(gè)像素設(shè)計(jì)并使用了6個(gè)晶體管，讀取噪音僅為1平方根電子。但是，由于隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的增加，感光二極管上的剩余空間逐漸減少(也稱為空置率或充電系數(shù))，因此通常使用微透鏡，以防止比率下降。這是因?yàn)槊總€(gè)像素位置的小透鏡改變?nèi)肷涔饩€的方向，落在連接點(diǎn)或晶體管上的光線返回到對(duì)光敏感的二極管區(qū)域。由于電荷限于像素，CMOS圖像傳感器的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是防光暈

5、屬性。在像素位置內(nèi)生成的電壓首先切換到垂直熱緩沖區(qū)，然后發(fā)送到輸出放大器，因此在傳輸過程中不會(huì)發(fā)生電荷損失和隨后發(fā)生的光暈現(xiàn)象。其缺點(diǎn)是每個(gè)像素中放大器的閾值電壓有較小的差異，這種不均勻性會(huì)導(dǎo)致固定圖像噪聲。但是，隨著CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造過程的不斷改進(jìn)，這種效果大大減弱。由于這種多功能集成，很多以前不能應(yīng)用視頻技術(shù)的地方現(xiàn)在成為了一些設(shè)計(jì)師考慮的對(duì)象，例如生孩子玩具等分散的安全相機(jī)、顯示器和筆記本電腦顯示器內(nèi)置的相機(jī)、裝有相機(jī)的移動(dòng)電路、指紋識(shí)別系統(tǒng)、醫(yī)療圖像中使用的一次性相機(jī)等。3設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)但是，該行業(yè)還有一個(gè)普遍關(guān)注的問題，即在測(cè)量方法、具體指標(biāo)、陣列大小和特性等方面還缺乏

6、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)每個(gè)工程師比較不同的數(shù)據(jù)列表時(shí)，一個(gè)表中列出了讀取噪音或信噪比的數(shù)據(jù)，而另一個(gè)表可能僅強(qiáng)調(diào)了動(dòng)態(tài)范圍或最常見的井容量的數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計(jì)師必須確定哪些參數(shù)對(duì)自己最重要，并盡可能充分地利用多產(chǎn)品的CMOS圖像傳感器系列。需要注意所有類型的圖像傳感器，包括信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、噪聲(固定圖形噪聲和讀數(shù)噪聲)、光學(xué)大小和電壓要求。為了進(jìn)行比較，需要知道的重要參數(shù)包括最常見的井容量、各種操作狀態(tài)下的讀出噪聲、楊紫效率和暗電流，其他參數(shù)(如信噪比)均源自相應(yīng)的基本度量。對(duì)于保安相機(jī)等低照度水平的應(yīng)用，噪聲和量子效應(yīng)是最重要的。但是在中等和高照度水平的應(yīng)用中，如室外照片，最大的大勢(shì)井容量更為重要。

7、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)范圍是最常用井容量與最低讀數(shù)噪聲的比率，因?yàn)樵谧畛Ｓ玫倪\(yùn)行速度下未測(cè)量到，暗電流散裝噪聲也經(jīng)常不計(jì)算。信噪比主要取決于入射光的亮度級(jí)別(實(shí)際上，如果亮度很低，噪聲可能大于信號(hào))。因此，信噪比必須考慮所有噪聲源，在某些數(shù)據(jù)列表中，通常忽略了作為中高信號(hào)級(jí)別的主要噪聲源的粒子噪聲。SNRDARK表明，它實(shí)際上與動(dòng)態(tài)范圍沒有區(qū)別。數(shù)字信噪比或數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍是另一個(gè)容易混淆的概念，僅顯示模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)特性。這可能很重要，但不能準(zhǔn)確描述圖像的質(zhì)量。此外，如果圖像傳感器具有多個(gè)可曹征的模擬增益設(shè)置，則還必須知道模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率對(duì)圖像傳

8、感器的動(dòng)態(tài)范圍沒有限制。光學(xué)大小的概念之所以模糊，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)觀念。使用光導(dǎo)攝像管只能在某些范圍內(nèi)生成有用的圖像。此計(jì)算包括度量的轉(zhuǎn)換和進(jìn)位方法。使用奧林法將圖像傳感器的對(duì)角線除以毫米等于16，得到以英寸為單位的光學(xué)大小。例如，0.97厘米的尺寸為1.27厘米，而不是0.85厘米。選擇大小為0.85厘米的圖像傳感器時(shí)，圖像周圍可能會(huì)出現(xiàn)陰影(陰影)現(xiàn)象。因?yàn)椴糠仲Y料目錄欺騙性地使用了舍入方式。例如，將0.97厘米的大小稱為0.85厘米的原因很簡(jiǎn)單。0.85厘米光學(xué)大小的圖像傳感器價(jià)格比1.27厘米光學(xué)大小的圖像傳感器低很多，但對(duì)系統(tǒng)性能有不利影響。因此，設(shè)計(jì)者必須計(jì)算各種圖像傳感器，以獲得所需的

9、性能。CMOS圖像傳感器的一大優(yōu)點(diǎn)是，驅(qū)動(dòng)整個(gè)設(shè)備只需要單個(gè)電壓。但是，設(shè)計(jì)者仍然需要仔細(xì)放置電路板驅(qū)動(dòng)芯片。根據(jù)實(shí)際要求，數(shù)字電壓和模擬電壓盡可能遠(yuǎn)，以防止串?dāng)_。因此，如果設(shè)計(jì)好電路板，接地和屏蔽就非常重要。此圖像傳感器是具有標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出(I/O)電壓的CMOS設(shè)備，但實(shí)際輸入信號(hào)相當(dāng)小，對(duì)噪音也很敏感。到目前為止，設(shè)計(jì)了高密度單芯片CMOS圖像傳感器。設(shè)計(jì)人員可以更輕松地應(yīng)用圖像，例如自動(dòng)增益控制(AGC)、自動(dòng)曝光控制(AEC)、自動(dòng)平衡曹征(AMB)、gamma采樣數(shù)、背景校正和自動(dòng)黑色級(jí)別校正。所有顏色矩陣處理功能都集成在芯片上。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)是，通過I2C總線，芯片寄存

10、器可以在相機(jī)上編程，動(dòng)態(tài)范圍大、不浮動(dòng)，并且?guī)缀鯖]有拖動(dòng)陰影。4、CMOS APS的潛在優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)方法4.1 CMOSAPS優(yōu)于CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)勢(shì)CMOS APS優(yōu)于CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點(diǎn)包括1到5:(1)消除了電荷重復(fù)傳遞的麻煩，消除了輻射條件下電荷轉(zhuǎn)移效率(CTE)的下降和減少。2)操作電流小，可以防止單個(gè)振動(dòng)和信號(hào)閉合。3)集成電路芯片可以進(jìn)行信號(hào)處理，因此可以進(jìn)行核心跟蹤、模式/數(shù)轉(zhuǎn)換的自身曹征或電壓漂移引起的輻射調(diào)整。關(guān)于硅探測(cè)器要解決的難題和論點(diǎn)是1 2:1)生物材料界面上輻射損傷引起的暗電流增加的問題。2)包含動(dòng)態(tài)范圍損失的臨界漂移問題。3)模式/數(shù)轉(zhuǎn)換電路中定時(shí)和控

11、制的信號(hào)鎖定和奇攝動(dòng)問題。4.2 CMOS APS設(shè)計(jì)方法CMOS APS設(shè)計(jì)方法如下：1)開發(fā)創(chuàng)新的像素結(jié)構(gòu)以減少暗電流。(2)通過使用耐輻射的鑄造方法反復(fù)開發(fā)最佳像素結(jié)構(gòu)，中型“dumb”(啞巴)已經(jīng)進(jìn)行了低開發(fā)和開發(fā)。3)開發(fā)了自動(dòng)調(diào)節(jié)自身電壓Vt漂移和動(dòng)態(tài)范圍損失的芯片信號(hào)處理裝置。4)開發(fā)和開發(fā)抗輻射(奇攝動(dòng)環(huán)境)的定時(shí)和控制裝置。5)輻射抗擾模式/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研制和加固。6)尋找低溫作業(yè)條件，以便在承受最大注射強(qiáng)度時(shí)找到并確認(rèn)最佳作業(yè)溫度。7)大型、完全數(shù)字化、耐輻射CMOS的開發(fā)和開發(fā)APS，用于生產(chǎn)。8)測(cè)試、評(píng)估和驗(yàn)證此設(shè)備的性能。9)引入當(dāng)代最高級(jí)別的組合光通信/成像系統(tǒng)測(cè)

12、試站。5、像素電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前設(shè)計(jì)的CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)包括氣隙累積二極管(HAD)型結(jié)構(gòu)、光電二極管被動(dòng)像素結(jié)構(gòu)、光電二極管主動(dòng)像素結(jié)構(gòu)、對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、埋地電荷積累和敏感晶體管陣列(BCAST)型結(jié)構(gòu)、低壓驅(qū)動(dòng)埋地光電二極管(LV-bpd)型結(jié)構(gòu)、以及5.1 CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)光電二極管CMOS手動(dòng)像素傳感器(CMOS Kpp)s)的結(jié)構(gòu)從1967年韋克勒首次提出以來(lái)，本質(zhì)上沒有變化，如圖1所示。由反向偏置光敏二極管和開關(guān)管組成。開關(guān)管打開時(shí)，光敏二極管與垂直桿連接。位于熱線路末端的電荷積分放大器讀出電路將熱線路電壓保持為常數(shù)，減少KTC噪聲。當(dāng)讀取由光敏二極管存

13、儲(chǔ)的信號(hào)電荷時(shí)，其電壓重置為熱線電壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)成比例的電荷從電荷積分放大器切換到電荷輸出。使用單個(gè)管的PD CMOS PPS，可以在給定像素尺寸中設(shè)計(jì)最高的設(shè)計(jì)填充系數(shù)，或在給定設(shè)計(jì)填充系數(shù)中設(shè)計(jì)最小的像素尺寸。您也可以使用其他開關(guān)進(jìn)行2d xy定址。由于高填充系數(shù)和許多CCD上沒有多晶硅堆疊，因此CMOSKpps像素結(jié)構(gòu)的楊紫效率很高。但是由于傳輸線路的電容很大，所以CMOSPPS讀取噪音高，典型值為250個(gè)rms電子，是致命弱點(diǎn)。5.2 CMOS APS像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)，在發(fā)明了CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)的幾乎同時(shí)，在像素內(nèi)引入緩沖區(qū)或放大器可以提高像素性能。CMOS

14、圖像傳感器的成像設(shè)備以與CCD相同的方式將光子轉(zhuǎn)換為電子，但是使用晶體管(晶體管)作為電荷感應(yīng)放大器，而不是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。某些CMOS圖像傳感器在每組像素的頂部有一個(gè)放大器，每個(gè)像素只有一個(gè)晶體管，用作閾值電流值開關(guān)。開關(guān)像素的電荷填充放大器，其過程類似于DRAM的讀取電路，此傳感器稱為PPS。PPS的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，填充系數(shù)高。每個(gè)元素不復(fù)蓋多晶硅層，楊紫效率高，但PPS的讀取干擾高，僅適用于小型陣列傳感器。CMOS APS的每個(gè)像素內(nèi)都有自己的放大器。CMOS APS的填充系數(shù)小于CMOS PPS，集成到表面的放大晶體管減少了像素元素的有效表面積，減少了“封裝密度”，反射了40%到50%的入射光。該

15、傳感器的另一個(gè)問題是，如何在傳感器的多通道放大器之間創(chuàng)建更好的匹配，從而減少殘留級(jí)別的固定圖形噪聲，實(shí)現(xiàn)得更好。Cmos APS像素內(nèi)的每個(gè)放大器僅在此讀取過程中發(fā)生，因此CMOS APS的功耗比CCD圖像傳感器小。Cmos-APS的填充系數(shù)比CMOS 73pps小，設(shè)計(jì)填充系數(shù)的典型值為20%到30%，接近內(nèi)部轉(zhuǎn)換CCD值。5.2.1光電二極管CMOS APS(PD CMOS APS)的像素結(jié)構(gòu)1968年，nuble描述了PD CMOS APS。稍后，此像素結(jié)構(gòu)得到了改進(jìn)。圖2顯示了PD CMOS APS的像素結(jié)構(gòu)。高性能CMOS APS最初于1994年由美國(guó)哥倫比亞學(xué)院橋電子工程和JPL

16、(JPL)開發(fā)，使用像素?cái)?shù)量為128128，像素大小為40m40m，管芯大小為6.8mm6.8mm，1.2mCMOSn陷阱工藝進(jìn)行原型制作，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。1997 * * * Toshiba開發(fā)了640480像素光電二極管CMOS APS，其像素大小為5.6m5.6m，具有彩色過濾膠片和微鏡頭陣列。2000年，美國(guó)Foveon公司和美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司使用0.18mCMOS工藝開發(fā)了迄今為止世界上純度最高、分辨率最高的CMOS實(shí)體相機(jī)設(shè)備，其中包括4096像素CMOS 9 APS10、像素尺寸5m5m、管芯尺寸22mm等。我們?cè)敿?xì)介紹了CMOS APS的工作原理、開發(fā)現(xiàn)狀和應(yīng)用，其中包括6到8。感光表面沒有多晶硅堆棧，因此PD KcmosKaps的楊紫效率很高，讀取噪聲通常受重置噪聲的限制值為75 rms電子到100 rms電子。PD CMOS APS中的每個(gè)像素使用三個(gè)晶體管的典型像素間距為15m。PD CMOS APS適用于大多數(shù)低性能應(yīng)用程序。5.2.2光柵CMOS APS(PG CMOS APS)的像素結(jié)構(gòu)1993年，JPL首次開發(fā)了PG CMOS APS，是用于高性能科學(xué)圖像的低光源圖像。PG CMOS APS結(jié)合了CCD和xy尋址的